Курс презентаций, к рабочей программе Технология отрасли 2022 г.
презентация к уроку
В данном материале предоставлен курс презентаций к рабочей программе Технология отрасли по специальности 15.02.01 Монта и техническая эксплуатация промышленного оборудования целлюлозно-бумажной промышленности
Скачать:
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Природная целлюлоза представляет собой полисахарид, построенный из звеньев ангидро -D- глюкопиранозы , соединённых между собой β- гликозидной связью. Средняя степень полимеризации (число элементарных звеньев в макромолекуле целлюлозы) природной целлюлозы составляет у хлопка 15-20 тыс., у льна 8 тыс., у древесины 5-10 тыс.
Клеточные стенки растений построены главным образом из целлюлозы , поэтому растительное сырьё является единственным источником промышленного производства целлюлозы. Для выделения целлюлозы из растительного сырья необходимо освободить её от других компонентов растительной ткани – лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров, танинов – путём химической обработки.
Основным веществом, от которого хотят освободиться при получении целлюлозы, является лигнин. Поэтому процесс получения целлюлозы называют делигнификацией , а продукт делигнификации растительного сырья – технической целлюлозой.
В зависимости от того, насколько полно в процессе химической обработки был растворён лигнин, меняются свойства технической целлюлозы. Таким образом, показатели качества технической целлюлозы зависят как от выбора сырья, так и от методов и условий его обработки, позволяющих обеспечить разную степень удаления лигнина и других сопровождающих целлюлозу веществ.
Промышленное значение в производстве целлюлозы имеют лишь некоторые виды растений. Из хвойных пород древесины чаще используются ель, сосна, пихта, лиственница, из лиственных – тополь, осина, берёза, бук, эвкалипт. Кроме древесины перерабатывают солому культурных злаков – ржаную, пшеничную, рисовую, кукурузную
Классификация технических целлюлоз по выходу и степени провара Техническую целлюлозу в промышленных условиях получают путём обработки измельченного растительного сырья различными химическими реагентами при повышенных температуре и давлении. Этот процесс называется варкой.
В зависимости от условий и продолжительности обработки варка приводит к получению технической целлюлозы с различным выходом(выходом называется отношение массы полученной абсолютно-сухой целлюлозы к массе исходной абсолютно-сухой древесины, выраженное в процентах).
В зависимости от величины выхода технические целлюлозы можно разделить на три основные группы: продукт с выходом от 60 до 80 % называется полуцеллюлозой, с выходом от 50 до 60 % – целлюлозой высокого выхода, с выходом от 40 до 50 % – целлюлозой нормального выхода.
Характерным признаком полуцеллюлозы является высокое содержание лигнина (15-20 %). Лигнин срединной пластинки растворяется не полностью , поэтому волокна полуцеллюлозы можно превратить в волокнистую массу только с помощью механического размола. Целлюлоза высокого выхода может быть разделена на волокна с помощью простого размыва струёй воды. Однако и она содержит много лигнина, гемицеллюлоз и других сопутствующих веществ.
Целлюлозы нормального выхода могут иметь различную степень провара , т. е. различное содержание остаточного лигнина. По степени провара целлюлозы нормального выхода разделяются на несколько групп. Жёсткие целлюлозы содержат от 4,5 до 8 % лигнина, среднежёсткие – от 3 до 4,5 %, мягкие – менее 3 %.
Выход целлюлозы при глубоком проваре снижается из-за растворения лигнина и других компонентов растительной ткани, главным образом гемицеллюлоз . При получении мягких целлюлоз неизбежно частичное разрушение самой клетчатки (целлюлозы).
Сохранение гемицеллюлоз желательно, если целлюлоза предназначена для изготовления бумаги и картона. Поэтому «идеальный» с этой точки зрения процесс делигнификации должен обеспечивать только удаление лигнина . В промышленных условиях наряду с растворением лигнина всегда происходит растворение углеводов (гемицеллюлоз и целлюлозы).
Избирательностью или селективностью процесса делигнификации называют соотношение количеств растворенного лигнина и углеводов. Чем это соотношение больше, тем « селективнее » растворяется лигнин, тем выше выход технической целлюлозы.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Все способы получения целлюлозы основаны на том, что лигнин раз- рушается многими химическими реагентами быстрее, чем целлюлоза. В ос- нову классификации способов делигнификации , предложенной профессо - ром Ю.Н.Непениным , положены вид и свойства применяемых варочных реагентов и последовательность обработки растительного сырья (если ис - пользуются несколько реагентов). Основные способы получения целлюло - зы представлены в табл.
Группа способов Способ Основ ные реагенты pH Про дукция Кислотные Сульфитный NaHSO 3 +SO 2 +H 2 O 1,5-2,0 Целлюлоза для бумаг и химичес - кой пере- работки Бисульфитный NaHSO 3 +H 2 O 3,0-5,0 Азотнокислый HNO 3 (7-15 %) 1,0-1,5 Щелочные Натронный NaOH+H 2 O 13-14 Целлюлоза для бумаги Сульфатный NaOH+Na 2 S+H 2 O Полисульфидный NaOH+Na 2 S+Na 2 S n +H 2 O Нейтраль- ные Моносульфитный Na 2 SO 3 + Na 2 CO 3 +H 2 O 6-9 Пол У - цел- люлоза Окисли- тельные Кислородно- щелочной Na 2 CO 3 /O 2 +H 2 O 7-9 Целлюлоза для бумаги Ступенча - тые Бисульфит- I - NaHSO 3 +H 2 O 3,0-5,0 Целлюлоза сульфитный II - NaHSO 3 +SO 2 +H 2 O 1,5-2,0 для бумаги Моносульфит- I - Na 2 SO 3 +Na 2 CO 3 +H 2 O 6-8 сульфитный II - NaHSO 3 +SO 2 +H 2 O 1,5-2,0 Комбини - Сульфитно- I - NaHSO 3 +SO 2 +H 2 O 3-5 Целлюлоза рованные содовый II - Na 2 CO 3 +H 2 O 11,0 для хим Предгидролизно- сульфатный - H 2 O - NaOH+Na 2 S+H 2 O 3 13-14 ческой пе - реработки
Некоторые из перечисленных способов, например, натронный и азот- нокислый , уже давно не применяются в промышленности, другие, в частно - сти , кислородно-щелочной, апробированы в лабораторных условиях, но не нашли пока практического использования. Из промышленных способов по- лучения целлюлозы наибольшее распространение получили сульфитный (кислотный) и сульфатный (щелочной).
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
После варки растительного сырья получают небелёную целлюлозу, которая обладает довольно низкой белизной. Кроме того, небелёная целлюлоза содержит сопровождающие клетчатку примеси. Для переработки часто необходимо получить продукт белого цвета, который более полно освобождён от лигнина, смол и других примесей, является химически более чистым и обладает определёнными физико-химическими свойствами
Поэтому полученную небелёную целлюлозу подвергают отбелке, т. е. обрабатывают отбеливающими реагентами . Иногда одновременно с отбелкой для глубокого удаления гемицеллюлоз проводят дополнительную щелочную обработку. В результате получают облагороженную целлюлозу.
Полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода, небелёная целлюлоза различной степени провара, белёная и облагороженная целлюлозы – это полуфабрикаты для производства бумаги и картона . Свойства целлюлозы и возможность её использования в производстве бумаги и картона определяются природой исходного растительного сырья (хвойная или лиственная древесина, солома, тростник и т.п.), выходом и степенью провара целлюлозы, способом варки.
Целлюлоза применяется не только для производства бумаги и картона, но и для химической переработки на искусственные волокна (вискозные, ацетатные волокна и др.). В процессе химической переработки получают различные производные целлюлозы (простые и сложные эфиры и др.), которые растворяют в органических растворителях. Поэтому целлюлозу для химической переработки часто называют «растворимой целлюлозой». С этой целью обычно используют белёную и облагороженную целлюлозы с определёнными физико-химическими свойствами.
Целлюлоза, предназначенная для производства бумаги, характеризуется бумагообразующими свойствами – т. е. способностью к размолу, развитию в процессе размола механических прочностных характеристик бумажного листа, его непрозрачностью, белизной, отсутствием сора и т.п.
Свойства и основные показатели качества технической целлюлозы Содержание лигнина определяется прямыми или косвенными методами . В России и других странах в качестве стандартного применяют перманганатный метод . Содержание лигнина или отвечающая ему степень делигнификации – один из основных показателей, определяющих качество небелёной целлюлозы для бумаги. В белёных целлюлозах содержание лигнина не определяют, так как оно составляет десятые доли процента.
Содержание пентозанов в небелёной целлюлозе зависит от степени провара. В хвойной сульфатной небелёной целлюлозе содержится 10-11 % пентозанов , в сульфитной небелёной – 4-7 %. В целлюлозе из древесины лиственных пород и в соломенной целлюлозе содержание пентозанов более высокое, что связано с бóльшим их содержанием в исходном сырье.
Присутствие пентозанов желательно, если целлюлоза предназначена для бумажного производства, так как способствует повышению механической прочности бумаги, улучшает проклейку и способность полуфабрикатов к размолу. В целлюлозе для химической переработки, напротив, присутствие пентозанов вызывает осложнения – помутнение растворов эфиров целлюлозы, ломкость, хрупкость и помутнение лаков и плёнок. Поэтому в растворимых целлюлозах содержание пентозанов должно быть снижено до минимума.
Содержание смолы определяется путем экстрагирования целлюлозы органическими растворителями (эфиром, спиртом, ацетоном и др.). В сульфитной целлюлозе содержится 1-1,5 % смолы, в сульфатной – 0,2-0,3 %. При производстве бумаги имеет значение «вредная смолистость», вызывающая отложения на сетке бумагоделательной машины и размольной аппаратуре.
Повышенное содержание смолы в целлюлозе увеличивает опасность «смоляных затруднений». Присутствие смолы в целлюлозах, предназначенных для химической переработки, также нежелательно. Для некоторых видов целлюлозы снижения содержания смолы добиваются, применяя особые методы обработки.
Тема 3 Зольность целлюлозы обусловлена присутствием минеральных веществ в исходном сырье и в химикатах, которые применяются для варки. Содержание золы в древесных целлюлозах составляет 0,3-0,5 %. Для производства бумаги (кроме некоторых специальных видов) зольность не имеет особого значения. Однако для «растворимых целлюлоз» зольность – одна из важнейших характеристик. В этом случае, кроме общего содержания золы, определяют и её состав.
Альфа-целлюлоза – это высокомолекулярная часть целлюлозы, не растворимая в 17,5 %-м растворе NaOH . Если альфа-целлюлоза определяется в небелёных целлюлозах, то необходима поправка на содержание лигнина. В целлюлозах для химической переработки содержание альфа-целлюлозы – важнейший показатель. Высокое содержание альфа-целлюлозы, необходимое для этих целлюлоз, достигается путём облагораживания.
Медное число является характеристикой восстановительной способности целлюлозы, которая определяется присутствием продуктов ее гидролиза и окисления. Для мягких целлюлоз медное число выше, чем для жёстких, а для белёных выше, чем для небелёных
Вязкость растворов целлюлозы характеризует длину макромолекул. Это важный показатель, который определяет поведение целлюлозы при её химической переработке. Для целлюлоз, используемых в производстве бумаги , вязкость также является одной из важнейших характеристик. Между прочностными показателями целлюлозы и вязкостью имеется несомненная связь. Как правило, снижение вязкости целлюлозы в процессе варки и отбелки сопровождается ухудшением её прочностных характеристик .
Механические прочностные свойства целлюлозы определяются по стандартным методикам на специальной аппаратуре при постоянных значениях температуры и влажности воздуха . Испытуемые образцы готовят в виде отливок постоянной массы квадратного метра (75 г/м 2 ). Чаще всего определяют следующие механические свойства целлюлозы: сопротивление разрыву (разрывную длину), сопротивление излому, продавливанию и раз диранию. Разрывная длина прочных сульфатных целлюлоз может составлять 8000-10000 м, сопротивление излому – 1500-2000 двойных перегибов
Способность целлюлозных волокон давать прочный лист бумаги зависит от многих факторов: прочности и длины индивидуальных волокон, их гибкости, эластичности, межволоконных сил связи, однородности бумажного листа и др. В производственных условиях развитие прочностных свойств достигается в процессе размола волокон, осуществляемого в присутствии воды. Механические свойства целлюлозы определяются после размола до степени помола 60 °ШР в стандартной аппаратуре.
Сорность целлюлозы выражается числом соринок, подсчитанных с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы, на 1 м 2 поверхности. Сорность целлюлозы обусловлена присутствием частичек коры, луба, непроварившейся древесины, а также частичек смолы, угольной пыли, минеральных включений .
Требования к сорности целлюлозы определяются стандартами. Для белёной целлюлозы допустимо колебание сорности от 160 до 450, для небелёной - от 2000 до 4000 соринок на 1 м 2 . Целлюлоза для химической переработки должна иметь более высокую чистоту . Для некоторых видов облагороженных целлюлоз допускается только несколько десятков соринок на 1 м 2 .
Белизна целлюлозы определяется с помощью лейкометра при синем светофильтре. Испытуемый образец сравнивают с эталоном ( BaSO 4 ), белизна которого принята за 100 %. У белёных целлюлоз для производства бума- ги белизна колеблется от 80 до 90 %. Кроме представленных выше, в отдельных случаях применяются показатели , характеризующие углеводный состав целлюлозы, её впитывающую способность, способность к набуханию, прозрачность и фильтруемость растворов целлюлозы т.п .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Основным видом сырья для целлюлозно-бумажной промышленности служит древесина хвойных и лиственных пород. Для производства сульфатной целлюлозы пригодны все породы. Из древесины хвойных пород наибольшее применение имеет сосновая древесина, среди лиственных – берёза , второе место принадлежит осине.
Лиственная древесина отличается от хвойной меньшей длиной основных волокнистых клеток. Поэтому она считается менее ценным сырьём, чем хвойная, для производства целлюлозы, предназначенной для выработки бумаги и картона . В древесине лиственных пород содержится больше трудногидролизуемых гемицеллюлоз, чем в хвойной древесине, поэтому она реже используется для получения растворимой целлюлозы.
При переработке древесины лиственных пород надо учитывать следующие её особенности по сравнению с хвойной древесиной: трудность окорки и повышенный расход энергии на рубку ( берёза, бук ); повышенную склонность к загниванию; более высокий выход целлюлозы из древесины; более низкую прочность бумажного листа, особенно во влажном состоянии ;
более трудную обезвоживаемость целлюлозной массы, что вызывает снижение производительности промывного оборудования на 25-30 %; -высокое содержание нейтральных веществ в экстрактах, что иногда является причиной смоляных затруднений; -невозможность получения таких побочных продуктов, как скипидар, пониженный выход таллового масла. В связи с этим лиственную древесину обычно перерабатывают отдельными производственными потоками.
Физические свойства древесины Из физических свойств древесины для производства целлюлозы наиболее важны влажность и плотность. Влажность является характеристикой содержания воды в древесине. Различают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность (влагосодержание) представляет собой отношение массы воды к массе абсолютно-сухой древесины, выраженное в про центах. Абсолютно-сухой считают древесину, высушенную до постоянной массы при температуре (103±2 °C)
Относительная влажность (влажность) является массовой долей воды, выраженной в процентах по отношению к массе влажной древесины . В практике чаще используют понятие относительная влажность. Влажность свежесрубленной древесины составляет 45-61 %. Высушенная в естественных условиях до воздушно-сухого состояния древесина имеет влажность 15-20 %.
При высыхании древесины сначала удаляется вода из полостей клеток (свободная влага), затем вода, пропитывающая стенки клеток ( гигроскопи - ческая , или связанная влага). При абсолютной влажности древесины около 30 % вода начинает удаляться медленнее. Этот момент перехода, когда древесина содержит только гигроскопическую влагу, называют точкой насыщения волокна.
Начиная с этой точки, высыхание древесины сопровождается усадкой (усушкой), то есть уменьшением объёма из-за сжатия клеточных оболочек. Общее сокращение объёма при высыхании до абсолютно- сухого состояния от свежесрубленного для древесины хвойных пород составляет от 8 до 13 %.
Плотность – это масса единицы объёма древесины . Древесина является капиллярно-пористым телом, полости которого заполнены частично водой, а частично воздухом. Поэтому имеется два понятия плотности: плотность собственно древесного вещества и плотность древесины как физического тела.
Плотность вещества древесины для всех пород одинакова и составляет 1,54 г/см 3 . Плотность абсолютно-сухой древесины (как физического тела) зависит исключительно от объёма пор (т. е. от того, какая часть объёма занята веществом древесины, а какая приходится на пустоты).
Плотность влажной древесины зависит и от влажности. Поэтому сравнивать образцы влажной древесины по плотности нужно при одинаковой влажности. Плотность древесины при абсолютной влажности 30 % называется базовой , или условной плотностью. Она всегда меньше, чем плотности абсолютно-сухой древесины. Плотность (в г/см 3 ) наиболее распространённых в
России древесных пород в абсолютно-сухом состоянии составляет: для ели 0,435, сосны 0,47, пихты 0,38, лиственницы 0,65, осины 0,43, берёзы 0,60
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Качество и виды сырья для производства целлюлозы Древесина хвойных и лиственных пород доставляется на предприятия в виде брёвен (балансов), толщиной в верхнем отрубе 60-240 мм, что соответствует возрасту 50-200 лет. Требования к качеству балансов определяются ГОСТ 6462-88 и 9463-88 .
Древесина, поступающая на предприятия, может иметь различные пороки (наружные повреждения, сучковатость, гниль), которые снижают прочность и выход целлюлозы. Качество балансов оценивают по их наружным признакам . При необходимости эта оценка может быть дополнена с помощью методов лабораторного анализа.
Для производства сульфатной целлюлозы, кроме балансов, используют низкокачественную древесину (круглые лесоматериалы, не соответствующие по своим показателям стандартам на деловую древесину), технологические дрова (древесина преимущественно лиственных пород, поставляемая по специальным техническим условиям), отходы лесопиления в виде готовой технологической щепы, отходы деревообрабатывающих предприятий, щепу из лесосечных отходов и тонкомерной древесины, опилки хвойных пород
Подготовка древесины к переработке Подготовку древесины к производству целлюлозы можно представить в виде схемы Заготовленная в лесу древесина доставляется на предприятия по железной дороге в крытых вагонах (коротьё от 1,25 до 1,5 м), на открытых платформах ( длинник от 4,5 до 6 м). Технологические щепа и дрова ( древесина , поставляемая в колотом виде) из лесозаготовительных предприятий поступают на целлюлозно-бумажные комбинаты водным, железнодорожным или автомобильным транспортом
При современных масштабах производства предприятия потребляют в год миллионы кубических метров древесины . Поэтому возникает необходимость хранить на лесных складах (биржах) большие запасы древесины для обеспечения возможности работы в течение нескольких месяцев . Биржа оборудована механизмами для вы- грузки, транспортировки, укладки древесины и подачи её в производство.
длинник распиловка окорка обезвоживание коротье балансы Рубка в щепу измельчение Крупная щепа щепа сортирование отжим Отходы сортирования На сжигание Нормальная щепа На варку
Существует несколько методов хранения древесины: в штабелях, в кучах , на воде, на открытых складах. В штабелях хранят балансы, преимущественно в виде длинника , в кучах – в виде коротких чураков . Хранение балансов на воде требует наличия спокойной и неглубокой акватории. В зимнее время необходимо иметь специально устроенные незамерзающие рейды . При снабжении предприятия готовой технологической щепой её хранят в кучах на открытых площадках .
Этот метод значительно дешевле, чем хранение балансов в штабелях и кучах. К преимуществам кучевого хранения щепы относится окисление смолы, что снижает смоляные затруднения при переработке целлюлозы. К недостаткам метода относятся большие потери древесины (2-5 %) от загнивания, опасность самовозгорания куч и некоторое снижение белизны целлюлозы.
Кроме перечисленных видов сырья, для производства сульфатной целлюлозы используют опилки хвойных пород . Из-за повреждения волокон прочностные показатели сульфатной целлюлозы из опилок ниже, чем из щепы.
Тема 6 Учёт древесины производится в объёмной мере, выражаемой в кубических метрах складочной ( скл . м 3 ) и плотной (пл. м 3 ) древесины. В плотных кубометрах выражают объём, занимаемый только древесиной, в складочных кубометрах – объём, занимаемый древесиной и пустотами, образованными неплотностью прилегания балансов или щепок друг к другу. 1 скл . м 3 древесины равен 0,72 пл. м 3 , в 1 м 3 щепы содержится 0,5 скл . м 3 или 0,33 пл. м 3 древесины.
Для распиловки древесины используются многопильные станки ( слешеры ) с вращающимися дисковыми пилами Устройство многопильного станка: 1-пилы ; 2-продольный транспортёр; 3-наклонная рама; 4-захват ; 5-поперечный многоцепной транспортёр ; 6-звёздочка
Балансы надвигаются на пилы поперечным цепным транспортёром со скоростью около 0,2 м/с. Число пил соответствует количеству разрезов и определяется длиной брёвен и требуемой длиной чурок. Для целлюлозного производства 6-7-метровые балансы распиливаются на обрезки длиной 2- 2,5 м. Потери древесины на опилки составляют около 0,3 %.
После распиловки перед измельчением в щепу балансы должны быть освобождены от покрывающей их коры. При производстве сульфатной целлюлозы кора не мешает процессу варки, однако значительно увеличивает расход химикатов (активной щелочи) и повышает сорность целлюлозы
Отделение коры у свежесрубленного дерева легче всего происходит по слою камбия. Силы сцепления коры с подсушенной древесиной возрастают в 2-3 раза, а промораживание при температуре от -5 до -20 °C увеличивает силы сцепления в 8-10 раз. Труднее всего окоряются сухие и мёрзлые балансы . Пропарка древесины, замачивание в горячей воде или продолжительное пребывание в воде значительно облегчает окорку .
Для окорки древесины применяются механические методы. Кора отделяется от ствола: сдиранием по камбиальному слою; смыванием водой под высоким давлением; срезанием острыми ножами; трением балансов друг о друга. Наиболее широкое распространение получили окорочные барабаны, в которых можно окаривать коротьё (барабаны со свободным заполнением). Их устанавливают за слешером , распиливающим брёвна на короткие чураки .
Балансы заполняют окорочный барабан на 50-60 % объёма. Вследствие вращения барабана балансы переваливаются внутри него и постепенно передвигаются вдоль барабана. По способу окорки различают следующие ти пы барабанов: барабаны мокрой окорки; барабаны полусухой окорки; барабаны сухой окорки; комбинированные барабаны
Барабаны мокрой окорки работают при большом расходе воды (около 10 м 3 /пл. м 3 ) и относительно невысокой производительности. Поэтому они постепенно вытесняются барабанами полусухой и сухой окорки Окорочный барабан разделён на две секции. Первая по ходу баланса, глухая, или закрытая, секция имеет сплошные стенки, к внутренней поверхности которых для предварительного разрушения коры приварены профильные балки.
Корообдирочный барабан для полусухой и сухой окорки баланса: 1 – открытая окорочная секция; 2 – щели для удаления коры; 3 – вы- тяжная вентиляция; 4 – неокоренный баланс; 5 – закрытая секция; 6 – опор- ный ролик; 7 – транспортер отходов окорки; 8 – корорубка ; 9 – кольцевой спрыск; 10 – транспортер окорённых балансов; 11 – подвижный затвор; 12 – окорённый баланс; 13 – профильные балки
В барабанах полусухой окорки в глухой секции окорка осуществляется в водной среде (внутрь секции подаётся горячая вода с температурой 40- 80 °C). Вторая секция барабана является открытой. Она состоит из профильных балок, имеющих продольные щели шириной около 60 мм. Воду в эту секцию не подают. Барабан установлен на роликовые опоры и приводится в движение приводом. Внутренний диаметр барабана 3,85 м, длина ( в зависимости от типа) от 15 до 30 м, частота вращения 6,3-10,5 мин -1 .
Балансы длиной 1,0-2,5 м подаются в закрытую секцию. За счёт вращения барабана они медленно продвигаются к противоположному концу, ударяясь о стенки и один о другой. Сдирание коры облегчает пропарка древесины в закрытой секции паром под давлением 0,6 Мпа. Кора, проваливаясь через щели , попадает на транспортёр, подающий кору на корорубку . Потери древесины при окорке составляют 0,5-2,0 %.
Тема 7 Барабаны полусухой и сухой окорки отличаются друг от друга только тем, что в глухую секцию барабанов полусухой окорки подаётся горячая вода (расход 1-1,5 м 3 /пл. м 3 ), а в глухую секцию барабанов для сухой окорки для размораживания коры – пар с температурой около 140 °C с расходом 20-25 кг/пл. м 3 . При сухом способе окорки стоки отсутствуют, а влажность коры увеличивается всего на 1-1,5 %. Достоинства сухой окорки заключаются в экономии воды, отсутствии загрязнённых сточных вод, исключении операции обезвоживания коры .
Комбинированные барабаны позволяют производить как сухую, так и полусухую окорку. В глухой секции барабана при необходимости древесину увлажняют для эффективной окорки в перфорированных секциях. Отечественная промышленность выпускает окорочные барабаны производительностью 50-200 м 3 /ч. Кроме барабанов для окорки, применяется другое оборудование, среди которого широкое применение нашли роторные корообдирки , позволяющие получить сухую кору.
При окорке древесины образуются отходы, состоящие из коры и потерь древесины (0,5-2,0 % от массы древесины). Объём отходов достигает 15 % от объёма перерабатываемой древесины. Основным способом утилизации отходов является их сжигание в специальных корьевых котлах . Сжигание коры легко осуществляется после сухой или полусухой окорки.
При мокрой окорке влажность коры высокая – 75-85 %. В этом случае после удаления свободно стекающей воды на водо- отделительном барабане часть оставшейся влаги отделяют на короотжимных прессах. Обезвоженная до влажности 55-60 % кора имеет теплоту сгорания 6000-7000 кДж/кг, что делает сжигание рентабельным. Кроме того, кору можно использовать для производства строительных плит и картонов, а также для получения удобрений .
Окорённые балансы поступают на следующую операцию – измельчение в щепу. Щепа для варочного процесса должна иметь длину 20-25 мм, толщину не более 5 мм. Ширина щепы оказывает значительно меньшее влияние на процесс сульфатной варки и качество целлюлозы, чем толщина и длина. Поэтому ширина щепы примерно равна длине. Поверхность среза щепы должна быть гладкой, что достигается надлежащей заточкой ножей рубительной машины. Если рубка производится тупыми ножами, то кромка сминается, что затрудняет проникновение варочных реагентов.
Для рубки балансов в щепу на предприятиях применяются дисковые многоножевые рубительные машины Диск диаметром 2-4 м с радиально расположенными 10-16 ножами закреплён на горизонтальном стальном валу тремя подшипниками и приводится в движение электроприводом. Частота вращения диска 250-740 мин
Дисковая многоножевая рубительная машина: 1 – стальной диск; 2 – ножи; 3 – всасывающий воздухопровод; 4 – про- резь в диске; 5 – патрубок; 6 – питающий патрон; 7 – кожух; 8 – лопатка; 9 – привод; 10 – диск-маховик; 11 – баланс; 12 – упорный нож
Балансы один за другим двигаются по наклонному патрону (угол на- клона 45-50° к горизонту) к диску и попадают под удары ножей. Каждый нож отрубает шайбу толщиной, равной выступу ножа. Под действием скалывающих усилий на передней грани ножа шайба распадается на отдельные элементы – щепу. На ободе диска укреплены лопатки, с помощью которых щепа вместе с потоком воздуха выбрасывается в циклон или бункер. После освобождения от щепы в циклоне или бункере воздух по всасывающему воздухопроводу возвращается в кожух рубительной машины.
Отечественные машиностроительные предприятия выпускают рубительные машины различных типоразмеров, например, МРН-100, -150, -300, производительностью, соответственно, 100, 150 и 300 пл. м 3 /ч. Удельный расход электроэнергии на рубку 3-4 кВт•ч /м 3 . Щепа, полученная в результате рубки, содержит 90 % нормальной щепы, которая поступает на варку, около 8 % крупной щепы, 2 % опилок и пыли. После измельчения ( дезинтегрирования )крупной щепы выход нормальной щепы возрастает до 97 %. Оставшиеся 3 % вместе с другими древесными отходами подготовки древесины отправляют на сжигание.
Сортирование щепы производят с целью отделения отходов (пыли, опилок, мелочи) и крупной щепы от щепы нормальных размеров. В целлюлозно-бумажной промышленности наибольшее распространение получили плоские гирационные сортировки
Плоская гирационная сортировка: а) схема работы (1 – приёмный карман; 2 – металлический короб; 3 – сита; 4 – циклон), б) общий вид подвесной сортировки (1– верхнее сито; 2 – сред- нее сито; 3 – нижнее сито)
Основными частями сортировки являются металлический короб, установленный под углом 8° к горизонту и укреплённые в нём три сита. Верхнее сито имеет отверстия 40×40 мм, среднее 15×15 мм, нижнее 5×5 мм. Короб подвешен стальных тросах. Круговое движение в горизонтальной плоскости осуществляется с помощью горизонтального вала. Амплитуда колебаний составляет 50 мм.
Щепа подаётся ленточным транспортёром или пневмотранспортом к распределительному устройству и равномерно рассыпается по поверхности верхнего сита. Благодаря колебательным движениям и наклону сортировки щепа продвигается вдоль поверхности сит и просеивается, разделяясь на несколько фракций : крупную щепу, нормальную щепу, мелкую щепу, опилки и пыль
Нормальная и мелкая щепа вместе поступают в варочный цех. Крупная щепа идёт на дезинтегратор, а после него возвращается на сортирование. Опилки и пыль направляются на сжигание . Производительность таких сортировок составляет от 400 до 1000 насыпных м 3 щепы/ч.
В последние десятилетия, кроме описанных выше, появились сортировки , которые осуществляют фракционирование (сортирование) щепы по толщине. Однородность щепы по толщине значительно улучшает равно- мерность провара щепы и качество целлюлозы. Для выделения из щепы толстой фракции используются дисковые, валковые и реечные сортировки. После выделения толстой фракции её измельчают в барабанных рубительных машинах.
Отсортированная щепа поступает в бункеры варочного цеха или промежуточные бункеры, запас которых обеспечивает суточную работу целлюлозного завода .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Волокнистые полуфабрикаты с использованием щелочной обработки растительного сырья получали еще в древнем Китае. Первые патенты на получение целлюлозы натронным способом были получены в 1853-54 гг., а первый завод, производящий натронную целлюлозу , был построен в США в 1860 г.
В 1879 г. немецкий инженер Даль предложил добавлять перед сжиганием упаренных щелоков, в процессе их регенерации, сульфат натрия. При сжигании сульфат восстанавливался до сульфида натрия, который становился вторым после NaOH компонентом варочного раствора. Способ получения целлюлозы с варочным раствором, содержащим NaOH и Na 2 S,был назван сульфатным, а получаемая целлюлоза – сульфатной целлюлозой
Доля сульфатной целлюлозы в мировом производстве волокнистых полуфабрикатов долгое время оставалась низкой (25 % в 1925 г.) в основном из-за темного цвета целлюлозы. Но впоследствии потребность в сульфатной целлюлозе возросла, что было связанно с ростом производства тароупаковочных видов бумаги и картона, электроизоляционных и других видов бумаги , которые не могли производиться из сульфитной целлюлозы. Сейчас сульфатным способом производится более 97 % всей целлюлозы в мире .
Древесина после подготовки, т. е. после получения технологической щепы необходимых размеров, поступает на варку. Варка сульфатной целлюлозы осуществляется непрерывным или периодическим методами. В котел загружают щепу и заливают варочный раствор — белый щелок, который содержит необходимую для варки активную щелочь.
Обычно, кроме белого щелока, в котел подают также некоторое количество черного (отработанного) щелока. Содержимое котла нагревают, прокачивая щелок через подогреватель, обогреваемый паром. В процессе подъема температуры проводят терпентинную (скипидарную) сдувку , с которой из котла уходят пары скипидара, воздух , оставшийся в котле, некоторое ко- личество органических летучих продуктов и водяных паров
Сдувки направляют на установку для утилизации тепла и получения скипидара. На конечной температуре (150-170 °С) устраивают стоянку — выдерживают котел определенное время (от 0,5 до 3 ч), необходимое для получения данного вида целлюлозы.
После завершения варки целлюлозная масса вместе со щелоком поступает в выдувной резервуар и направляется на сортирование (для отделения от целлюлозной массы отходов) и промывку (для отделения черного щелока от сваренной целлюлозы). Затем промытая целлюлоза может использоваться в небеленом виде или после отбелки для производства бумаги и картона.
Черный щелок после промывки целлюлозы имеет концентрацию сухих веществ от 12 до 17 % и направляется на регенерацию химикатов, которая состоит из операций выпарки, сжигания и каустизации щелоков. Перед выпаркой черный щелок проходит подготовку, которая заключается в отделе- нии сырого сульфатного мыла и мелкого волокна.
Затем черный щелок выпаривается на многокорпусной вакуум-выпарной станции до концентрации сухого вещества 60-80 %. Упаренный щелок поступает на сжигание в содорегенерационный котлоагрегат (СРК). Перед сжиганием к щелоку для возмещения потерь щелочи и серы в производственном цикле добавляют све жий сульфат натрия
В процессе сжигания щелока его органические вещества полностью сгорают, а минеральные вещества образуют жидкий плав. В результате химических реакций, происходящих при высокой температуре (1000-1200 °С), сульфат натрия восстанавливается углеродом до сульфида натрия, а большинство других соединений натрия под действием CO 2 карбонизируется до Na 2 CO 3 . Поэтому плав содержит главным образом Na 2 CO 3 и Na 2 S. Выделившееся при сжигании тепло используется для получения пара и электроэнергии.
После сжигания щелоков плав растворяют в слабом белом щелоке, а раствор, называемый зеленым щелоком, подвергают каустизации (реакции с Ca (OH) 2 ) для перевода карбоната в гидроксид натрия . Na2CO3 + Ca(OH)2 2 NaOH + CaCO3 . Полученный в результате каустизации белый щелок, содержащий NaOH и Na 2 S (не принимает участия в реакции каустизации ), вновь используют для варки .
Отделенный от белого щелока осадок CaCO 3 подвергают обжигу в известерегенерационных печах при температуре 1100-1200 °С. При этом происходит следующая реакция : CaCO3 CaO + CO2 . Оксид кальция (негашеную известь) снова используют для каустизации
Оксид кальция (негашеную известь) снова используют для каустизации Сульфатный способ является сложным технологическим процессом с замкнутой системой регенерации химикатов и имеет следующие преимущества перед сульфитным способом производства целлюлозы: возможность использования любых видов растительного сырья: древесины , тростника и стеблей однолетних злаков (традиционным сульфитным способом можно переработать только низкосмолистые хвойные породы , а также осину, березу и тополь);
потери химикатов в производственном цикле, благодаря замкнутой системе регенерации, восполняются добавкой дешевых химикатов Na 2 SO 4 и CaCO 3 ; за счет сжигания упаренного щелока и утилизации выделяющегося тепла происходит самообеспечение технологическим паром и электроэнергией (на 75 %); более высокая прочность сульфатной целлюлозы по сравнению с другими волокнистыми полуфабрикатами делает ее универсальным полу- фабрикатом для выработки любых видов бумаги и картона.
Однако сульфатному способу присущи определенные недостатки: более низкий выход целлюлозы из древесины (на 3-4 %) по сравнению с сульфитной целлюлозой при равной степени делигнификации ; образование на разных стадиях процесса (при варке, выпарке, сжигании ) дурнопахнущих газов, загрязняющих атмосферу; более темный цвет и более трудная белимость целлюлозы.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Варочный раствор для щелочной варки называется белым щелоком. При натронной варке белый щелок содержит один активный реагент, растворяющий лигнин, – гидроксид натрия ( NaOH ). При сульфатной варке активных реагентов два – гидроксид натрия и сульфид натрия (Na 2 S).
Кроме того, в белом сульфатном щелоке, вследствие неполноты реакций каустизации и восстановления сульфата, обязательно присутствуют карбонат (Na 2 CO 3 ) и сульфат ( Na 2 SO 4 ). В небольшом количестве содержатся сернистые соединения натрия – тиосульфат ( Na 2 S 2 О 3 ), сульфит (Na 2 SO 3 ), полисульфиды (Na 2 S Х ),а также алюминат ( NaAlO 2 )и силикат ( Na 2 SiO 3 ).
Состав белого щелока принято характеризовать несколькими показателями , причем содержание натриевых солей выражают в одних и тех же эквивалентных единицах, чаще всего в единицах Na 2 О (иногда NaОН ). В составе белого сульфатного щелока различают следующие компоненты: активную щелочь NaОН + Na 2 S; общую титруемую щелочь NaOH + Na 2 S + Na 2 CO 3 ; всю щелочь, т. е. сумму всех присутствующих в белом щелоке соединений натрия.
Расходом активной щелочи на варку называют ее суммарное количество, отнесенное к массе абсолютно-сухой древесины и выраженное в процентах . В производственных условиях степень сульфидности составляет 25- 40 %, степень каустизации 75-85 %, степень восстановления 90-99 %, степень активности 70-90 %. За рубежом вместо понятия «активная щелочь» часто используют термин «эффективная щелочь» ( NaОН + ½Na 2 S).
Обычно концентрация активной щелочи в белом щелоке составляет 90- 120 г/л в ед. Na 2 О. В варочном котле за счет разбавления влагой, содержа щейся в щепе, и черным щелоком концентрация активной щелочи снижается до 30-60 г/л, а pH варочного щелока составляет 13-14. К концу варки концентрация активной щелочи уменьшается примерно в 10 раз, а рН снижается только на 1 (до 12-13).
Это происходит потому, что к концу варки в щелоке содержится много натриевых солей слабых минеральных и органических кислот, что вызывает создание значительной щелочной буферной ёмкости, благодаря чему конечный рН черного щелока остается высоким. Натриевые соли слабых кислот в водном растворе гидролизуются : Na 2 S + H 2 O NaOH + NaHS , Na2CO3 + H2O NaOH + NaHCO3, Na2SO3 + H2O NaOH + NaHSO3.
Степень гидролиза зависит от температуры, концентрации раствора и рН . При рН 12 Na 2 S полностью гидролизуется до NaНS . Ионы HCO3 в заметном количестве появляются при рН 10, а сероводород, свободная угольная кислота и NaНCO 3 при рН 8. Присутствующий в белом щелоке гидроксид натрия тормозит гидролиз этих солей.
Температура влияет на процесс гидролиза незначительно. Так, при 25 °С Na 2 S в производственном белом щелоке гидролизуется до NaНS на 40 %, а при 165 °С на 76-88 %. В условиях обычной сульфатной варки NaНCO 3 может появиться только в ее конце, а NaНSO 3 практически не образуется.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Растворение веществ древесины при щелочной варке начинается при низких температурах с момента соприкосновения щелока со щепой. Если сварить щепу одной и той же породы древесины сульфатным и натронным способами при одинаковых условиях варки (расходе и начальной концен - трации активной щелочи, температурном режиме) и проанализировать по- лученные результаты, то можно сделать следующие выводы:
1. лигнин при сульфатной варке растворяется значительно быстрее, чем при натронной, скорость растворения углеводов практически одинакова; 2. при варке до одинакового содержания лигнина, выход сульфатной целлюлозы, выше, чем натронной, вследствие сокращения продолжительности варки и времени воздействия на углеводы; 3. при сульфатной варке кроме активной щелочи расходуется сульфидная сера.
Наиболее интенсивно реакции с участием сульфидной серы идут в начале варки. В ее конце скорость потребления Na 2 S снижается. Общий расход сульфидной серы составляет 1-1,5 % от массы древесины. Реакции между сульфидной серой и лигнином облегчают его растворение при сульфатном способе по сравнению с натронной варкой .
Натронная варка Лигнин, перешедший в раствор после натронной варки, называют щелочным лигнином. Он является смесью органических веществ ароматической природы. 70-80 % щелочного лигнина представляет его высокомолекулярную часть , которая высаживается под действием кислот в виде коричневого осадка. Остальные 20-30 % лигнина не осаждаются при подкислении . Эта часть лигнина представляет собой низкомолекулярный лигнин, который еще называют «растворимым лигнином ». Средняя молекулярная масса щелочного лигнина 1000-3000.
Для перевода в раствор лигнина древесины необходимо разрушить его связи с гемицеллюлозами и другими компонентами древесины, осуществить глубокий щелочной гидролиз трехмерных молекул самого лигнина, ввести в его состав гидрофильные группы, облегчающие растворение фрагментов лигнина.
Наряду с деструкцией, протекает конкурирующая реакция конденсации лигнина, которая затрудняет его растворение. Режим варки должен обеспечить необходимую степень деструкции лигнина и защиту от конденсации. Основные реакции лигнина при щелочной варке являются гетеролитическими (ионными) и идут по механизму нуклеофильного замещения S N 1 . При натронной варке единственным нуклеофильным реагентом является гидроксид анион (ОН¯).
Под действием гидроксида натрия происходит отщепление метоксильных групп. В природном лигнине хвойных пород содержится 16-17 % метоксилов , в щелочном 13,5-14 %. Rлиг -OCH3 + NaOH CH3OH + Rлиг - ONa . фенолят
В результате реакции образуются свободные фенольные гидроксилы, с которыми NaОН образует феноляты. Лигнин в виде фенолятов растворяется в черном щелоке Основной реакцией лигнина в условиях натронной варки, является расщепление простых эфирных связей
Сульфатная варка Отличие сульфатной варки от натронной заключается в присутствии сульфида натрия, который в результате гидролиза дает гидросульфид-ионы. Na 2 S + H 2 O NaOH + NaHS , NaHS Na + + HS . -
Таким образом, в сульфатном варочном растворе присутствуют два нуклеофила — ОН¯ и НS¯. Гидросульфид-ион является более сильным нуклеофилом , чем гидроксид-ион, обеспечивает более интенсивную деструкцию лигнина, а также его защиту от конденсации. В результате реакции гидросульфид-ионов с лигнином происходит образование структур, в которых сера химически связана с лигнином.
Считается, что на начальных стадиях варки образуется лигнин, содержащий около 5 % серы. При температуре свыше 150 °C происходит щелочной гидролиз и растворение сернистого лигнина, значительная часть серы отщепляется в виде элементарной, и образуется сульфатный лигнин . Гидросульфидные ионы регенерируются и снова могут реагировать с группами лигнина, имеющими свободные фенольные гидроксилы.
Таким образом, при сульфатной варке ускоряется разрушение простых эфирных связей в лигнине. В результате замещения активных α- бензилспиртовых гидрокси - лов серой не проходит отщепление γ-углеродных атомов в виде формальде - гида. Поэтому реакции конденсации с участием бензилспиртовых групп и формальдегида не идут, а растворение лигнина облегчается.
Остаточный лигнин, который сохраняется в целлюлозе до конца варки, отчасти подвергается конденсации, но значительно в меньшей степени, чем это происходит при натронной варке. Поэтому при сульфатной варке легче получить целлюлозу с низким содержанием лигнина, чем при натронной варке. Содержание органически связанной серы в лигнине, переходящем в раствор, и в лигнине, остающемся в технической целлюлозе, примерно одинаково и составляет 2-3 %.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Цель щелочной варки заключается в растворении лигнина ( делигнификации ). Однако наряду с этим происходит и нежелательное растворение полисахаридов . Потери целлюлозы могут достигать 10 % от ее количества в исходной древесине, глюкоманнан растворяется на 75 %, ксилан на 45- 50 %. Как при сульфатной, так и при натронной варке основное количество щелочи (до 75 %) потребляется на реакции с углеводами, и только 25 % щелочи идет на растворение лигнина.
В условиях щелочной варки между полисахаридами и щелочью происходят следующие взаимодействия: набухание, вызывающее физические изменения в клеточных стенках ; растворение углеводов без химического разрушения; осаждение растворенных углеводов на целлюлозных волокнах; омыление ацетильных групп;
ступенчатое отщепление концевых звеньев, содержащих редуцирующую группу ( пилинг , peeling ); стабилизация, в результате которой полисахариды приобретают устойчивость в щелочной среде (стопинг, stopping ); расщепление (щелочной гидролиз) β- гликозидных связей .
Взаимодействие между щелочью и углеводами начинается с гидратации гидроксильных групп и нейтрализации карбоксильных групп уроновых кислот. В результате происходит значительное набухание. Полисахариды, имеющие низкую молекулярную массу, набухают неограниченно и растворяются в варочном щелоке без химического разрушения . Это происходит в период подъема температуры и в любой другой стадии варки.
Омыление ацетильных групп начинается уже при подъеме температуры и сопровождается значительным потреблением щелочи . Ацетильные группы глюкоманнана хвойных и ксилана лиственных пород полностью омыляются щелочью на стадии заварки. Количество ацетата натрия в черном щелоке соответствует содержанию ацетильных групп в древесине.
В конце варки, когда pH варочного раствора снижается до 12, растворенные полисахариды (главным образом, ксилан и глюкоманнан ) способны осаждаться на поверхности волокон . Этому явлению, называемому « сорбцией гемицеллюлоз», способствует потеря боковых заместителей ( ацетильных групп у глюкоманнана , арабинозы и глюкуроновой кислоты у ксилана ).
Главными реакциями углеводов, определяющими выход и свойства целлюлозы, являются: ступенчатое отщепление концевых звеньев, содержащих карбонильную группу; стабилизация углеводов к щелочной деструкции; щелочной гидролиз β- глюкозидных связей.
Щелочной гидролиз β-глюкозидных связей происходит только при высокой температуре (более 150 °C) и вызывает снижение средней степени полимеризации полисахаридов . В местах разрыва полисахаридных цепей появляются новые концевые звенья с редуцирующими группами, которые подвергаются ступенчатому отщеплению.
Реакция отщепления — главная причина весовых потерь углеводов при щелочной варке — начинается при температуре ниже 100 °C и происходит следующим образом . Под действием щелочи альдегидная группа перемещается в β- положение к глюкозидной связи и превращается в кетонную , концевое редуцирующее звено полисахарида изомеризуется во фруктозную единицу. Затем образуется глюкоксильный анион.
В результате его распада цепочка полисахарида укорачивается на одно звено. Концевая редуцирующая единица растворяется в щелочи в виде изосахариновой кислоты. После отщепления на конце цепи вновь возникает редуцирующее звено, и процесс повторяется . Обычно подряд растворяется 50-60 звеньев, после чего образуется концевая щёлочестойкая единица, и наступает стабилизация.
К стабилизации приводит дегидратация, в результате которой концевые углеводные группы изомеризуются до метасахариновой кислоты. К стабилизации ведут и другие реакции, например, образование спиртовой концевой группы
Отщепленные от полисахаридных цепей мономеры в растворе претерпевают различные превращения. Конечными их продуктами являются органические кислоты, лактоны, муравьиная кислота и другие низкомолекулярные соединения
Результат воздействия горячей щелочи на гемицеллюлозы зависит от характера связи между мономерами и от типа заместителей. Глюкоманнан сосны содержит около 8 % ацетильных групп в положениях С 2 и С 3 и имеет соот - ношение сахаров галактоза: глюкоза : манноза = 0,1 : 1 : 3. После полного деацетилирования глюкоманнан в условиях щелочной варки подвергается реакции отщепления. Из-за низкой средней степени полимеризации потери глюкоманнана велики, а его содержание в технической целлюлозе не более 6-7 %.
Во время щелочной варки древесины целлюлоза защищена от воздей - ствия щелочи лигнином, поэтому деструктирующее действие среды прояв - ляется к концу варки: снижаются вязкость, степень полимеризации, возрас - тает медное число, происходит частичное растворение целлюлозы.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Наряду с растворением лигнина и углеводов при щелочной варке идут побочные реакции: в результате частичного отщепления метоксильных групп лигнина образуется метанол. Часть его остается в щелоке, часть летит со сдувками . Выход метанола зависит от породы древесины и составляет: для древесины осины, ели и сосны около 7 кг на 1 т древесины, для древесины березы около 8 кг;
2. довольно большое количество уксусной кислоты образуется за счет деацетилирования гемицеллюлоз. В щелоке уксусная кислота присутствует в виде натриевой соли и поэтому не летит со сдувками . Кроме уксусной ки - слоты, образуются и другие летучие кислоты в количестве около 5 % от массы древесины хвойных пород. При варке древесины лиственных пород выход летучих кислот в 2 раза больше ;
3 . Терпены присутствуют в сдувочных газах только при варке хвойной древесины. В сдувочном конденсате терпены химически не меняются и образуют фракцию скипидара в количестве 1-2 кг на 1 т воздушно-сухой целлюлозы из ели и до 10 кг из сосны. Скипидар получают в качестве побочного продукта ;
4. П ри натронной и сульфатной варке смолы и жиры омыляются и находятся в черном щелоке в виде мыл — натриевых солей смоляных и жирных кислот. Выход мыл зависит от содержания экстрактивных веществ в древесине и от соотношения между смоляными и жирными кислотами. Выход мыл всегда больше при варке древесины сосны, чем ели, и составляет примерно 160 кг на 1 т воздушно-сухой целлюлозы. При варке лиственных пород получаются мыла, содержащие только жирные кислоты с небольшим выходом.
В черном щелоке мыла образуют коллоидный раствор. При длительном стоянии щелока в результате воздействия электролитов коллоидные части цы мыл соединяются и под влиянием разности плотностей всплывают на поверхность щелока. Процесс высаливания мыл длительный и никогда не идет до конца
Поэтому выход сырого сульфатного мыла всегда ниже теоретического . Из сырого сульфатного мыла путем его разложения кислотой при нагревании получают сырое талловое масло (смесь смоляных и жирных кислот). В талловом масле соотношение смоляных и жирных кислот 50:50, кроме того, в нем содержится 12-18 % нейтральных веществ, среди которых наиболее интересны стерины . Их выход 3 % от массы сырого сульфатного мыла.
Кроме этих побочных продуктов, при сульфатной варке образуются сернистые соединения. Главные из них: метилмеркаптан (CH 3 SH) — 1 кг/т; диметилсульфид (CH 3 SCH 3 ) — 3 кг/т; диметилдисульфид (CH 3 SSCH 3 ) — 0,3 кг/т; сероводород (H 2 S) — 0,1 кг/т.
Смесь этих продуктов – сульфан выделяется при сдувках с парами вскипания и обладает неприятным запахом. Количество выделяющегося сульфана прямо пропорционально сульфидности белого щелока.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Механизмом процесса называют совокупность его стадий. Щелочная варка является гетерофазным процессом, в котором участвуют жидкая фаза (варочный раствор) и твердая фаза (щепа). Щелочную варку можно представить в виде нескольких последовательных стадий: пропитки щепы варочным раствором ;
адсорбции активной щелочи на реакционной поверхности щепы, сопровождаемой ее набуханием; предварительной стадии химических реакций между активной щелочью и компонентами древесины; щелочного гидролиза лигнина, щелочной деструкции полисахаридов; растворения продуктов деструкции лигнина и углеводов; вторичных физико-химических процессов в растворе.
Пропитка щепы складывается из жидкостной и диффузионной составляющих . В результате жидкостной пропитки воздух вытесняется из капилляров древесины за счет сил капиллярного всасывания и частично за счет внешнего гидростатического давления. Сократить продолжительность пропитки можно путем создания избыточного давления варочного раствора, вакуумирования щепы, а также применяя предварительную пропарку щепы.
Жидкостная пропитка преимущественно идет вдоль волокон. Если при варке сухой щепы не будет обеспечена жидкостная пропитка, внутренние части щепы не проварятся. В течение первого часа варки степень набухания достигает 300 %. Это соответствует заполнению щелоком всех люменов и микрокапилляров в стенках волокон.
Дальнейшее увеличение степени набухания до 400-500 % происходит при варке на конечной температуре и сопровождается растворением компонентов древесины. Клеточные стенки значительно утолщаются в направлении люменов, происходит размывание срединной пластинки, что указывает на начало растворения находящегося там лигнина.
Химическим реакциям предшествует адсорбция щелочи на реакционной поверхности щепы. Однако установить границу между адсорбированной и химически поглощенной щелочью практически невозможно. Адсорбция щелочи начинается с первого момента варки и достигает максимума через 60-90 мин варки
Чем больше адсорбировано щелочи, тем выше скорость реакции . Адсорбция анионов ОН¯ и HS¯ идет гораздо интенсивней, чем катионов Na + , что предопределяет активную роль этих анионов в реакциях с лигнином. В период подъема температуры происходит предварительная стадия химических реакций
В это понятие обычно включают активацию и разрыв связей в древесном комплексе под действием ионов HS¯ и ОН¯. К этим процессам также относят разрыв эфирных связей, введение серы в макромолекулу лигнина, отщепление заместителей от полисахаридных цепей, а также реакции приводящие к частичному растворению древесины, – обра - зование «растворимого» лигнина, отщепление концевых звеньев полисаха ридов, омыление смоляных и жирных кислот, растворение глюкоманнана и ксилана без химического разрушения -
После завершения предварительной стадии химических реакций развиваются заключительные стадии варки, которые приводят к растворению основной массы лигнина. Механизм процесса делигнификации очень сложен. Имеется несколько теорий делигнификации . Согласно взглядам шведского исследователя Нильса Хартлера , активная щелочь проникает в древесину через каналы волокон
Отдельные волокна связаны между собой системой пор. Через поры реагенты продвигаются внутрь. Начинается химическая реакция между варочным раствором и древесиной . После деструкции лигнина образуются сферические частицы (глобулы лигнина) диаметром 30-90 Å. В виде таких глобул лигнин диффундирует из межфибриллярного пространства в наружный щелок
Растворение гемицеллюлоз приводит к появлению в клеточных стенках новых пор, через которые глобулы лигнина диффундируют в щелок. По мере углубления делигнификации и растворения гемицеллюлоз размеры пор увеличиваются, в щелок переходят все более крупные глобулы. Диффузия варочного раствора в клеточную стенку волокна идет со стороны люмена.
Поэтому на ранних стадиях варки делигнифицируется внутренний слой вторичной стенки S 3 и прилегающие к нему области слоя S 2 . При углублении делигнификации происходит растворение лигнина срединной пластинки, причем она полностью исчезает (растворяется) при уда- лении 70 % лигнина. Последним растворяется лигнин в углах клеток. После разрушения срединной пластинки щепа разделяется на отдельные волокна.
Для прохождения химических реакций активная щелочь должна быть подведена к каждой клетке. Нолан и Кулкарни выдвинули теорию «движу- щейся поверхности». По ней активная щелочь адсорбируется на наружной поверхности щепы и реагирует с находящимся здесь лигнином. По мере его растворения возникают каналы, по которым из щепы в наружный щелок выводятся продукты реакции. Через эти же каналы варочный раствор проникает внутрь щепы к следующей «реакционной зоне». Таким образом « реакционная поверхность» все время продвигается от наружных частей щепы к внутренним .
В своих опытах Нолан и Кулкарни варили сухие древесные кубики с ребром 50 мм в течение 1 ч в щелочи при 190 ºC. После окончания варки кубики промывали водой, раскалывали пополам, а затем каждую половину ещё на 6 частей. В каждой части определяли содержание лигнина и связанную щелочь. Оказалось, что наружные части щепы были делигнифицированы только на глубину 2,5 мм. На этой глубине проходила реакционная поверхность . Внутренние части кубиков практически не проваривались.
Отсюда авторы сделали вывод, что для достижения хороших результатов надо увеличить реакционную поверхность щепы, т. е. измельчать ее без повреждения волокон. В последние 30-40 лет развиваются взгляды, которые говорят об участии в процессе делигнификации свободных радикалов. Один из основоположников радикального механизма делигнификации , Клейнерт считал, что свободно-радикальные реакции можно разделить на 2 группы:
возникновение свободных парамагнитных центров в результате термического гомолиза связей; вторичные радикальные реакции. К ним относятся взаимодействие свободных радикалов с компонентами древесины, стабилизация и перегруппировка радикалов, исчезновение свободных радикалов, а также объединение свободных радикалов (сшивка).
В результате радикальных реакций происходит как деструкция компо - нентов древесины, так и «сшивка», т. е. прививка лигнина на целлюлозу. Сульфид натрия или образующаяся при варке сера связывают макромоле - кулы лигнина и предотвращают сшивку. В заключительном периоде варки в щелоке идут вторичные реакции: деструкция лигнина и углеводов в растворе; конденсация лигнина; сорбция гемицеллюлоз и лигнина целлюлозными волокнами.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Сульфатная целлюлоза при одной и той же степени провара имеет на 3- 4 % меньший выход из древесины, чем сульфитная целлюлоза. Это снижение объясняется меньшим содержанием легкогидролизуемых гемицеллюлоз в сульфатной целлюлозе. Однако сульфатная целлюлоза отличается повышенным содержанием устойчивых пентозанов , которые не растворяются при горячей щелочной обработке.
Сульфатная целлюлоза всегда содержит значительно меньше смол и жиров, минеральной золы, чем сульфитная целлюлоза, и имеет более низкую кислотность. Цвет сульфатной небеленой целлюлозы — светло-коричневый. Ее остаточный лигнин хуже удаляется при отбелке, что ведет к усложнению схем отбелки.
По бумагообразующими свойствам сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную. Ее волокна более прочные, меньше укорачиваются при размоле , дают более плотный, менее прозрачный лист, обладающей большей механической прочностью, чем лист из сульфитной целлюлозы. Бумага из сульфатной целлюлозы имеет высокую термостойкость, а при увлажнении и последующей сушке меньше деформируется. Однако сульфатная целлюлоза труднее размалывается и хуже фибриллируется при размоле.
Эти особенности сульфатной целлюлозы до настоящего времени не имеют удовлетворительного объяснения. Отчасти различия в поведении сульфатной и сульфитной целлюлоз могут быть объяснены неодинаковым строением стенки волокон. У сульфитной целлюлозы лигнин и гемицеллю - лозы находятся в наружных слоях вторичной стенки волокна и являются доступными при механическом и химическом воздействии
У сульфатной целлюлозы лигнин и гемицеллюлозы распределены равномерно по толщине клеточной стенки и довольно труднодоступны. Поэтому сульфатная целлюлоза труднее отбеливается, хуже набухает и размалывается. К основным показателям сульфатной целлюлозы относятся степень делигнификации (используются также термины – степень провара, жесткость, число Каппа), вязкость, содержание пентозанов , смол и жиров, сорность,
белизна (для беленых целлюлоз), а также показатели механической прочности (разрывная длина, сопротивление излому, сопротивление раздиранию, сопротивление продавливанию), которые определяются у специально подготовленных отливок * . Сульфатная целлюлоза является универсальным волокнистым полуфабрикатом и применяется как в бумажном производстве, так и для химической переработки.
Вид сульфатной целлюлозы Выход, % от древе- сины Число Каппа Область применения Целлюлоза высоко- го выхода (ЦВВ) 53-55 – Для изготовления тароупако- вочных картонов Очень жесткая цел- люлоза нормального выхода 48-50 35-50 Д ля производства мешочной бумаги, оберточных, упако- вочных и некоторых техниче- ских видов бумаги Сульфатная целлю- лоза средней жест- кости 45-47 25-35 Д ля производства электротех- нических видов бумаги и кар- тона, а также технических ви- дов бумаги Среднемягкая суль- фатная целлюлоза 42-44 20-25 Д ля производства впитываю- щих видов бумаги Области применения хвойной сульфатной небеленой целлюлозы
Беленую хвойную сульфатную целлюлозу обычно получают путем многоступенчатой отбелки среднежёсткой сульфатной целлюлозы до белизны 85-90 %. Используется беленая сульфатная целлюлоза для производства высокосортных писчих и печатных видов бумаги, а также для производства белых картонов.
Для химической переработки применяется предгидролизная сульфатная целлюлоза, которую получают из хвойных пород древесины при выходе около 35 %. После многоступенчатой отбелки и облагораживания эта целлюлоза перерабатывается на искусственные волокна (вискозное, кордное, ацетатное).
Во всех странах растет производство сульфатной целлюлозы из лиственных пород древесины (березы, осины, эвкалипта и др.). Лиственная сульфатная целлюлоза по механической прочности уступает хвойной сульфатной . Используется она только в беленом виде в композиции писчих и печатных видов бумаг.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Факторами называются такие переменные процесса, изменение которых существенно влияет на скорость делигнификации , выход и качество целлюлозы. Основными факторами щелочной варки являются: температура варки, начальная концентрация и расход активной щелочи, сульфидность белого щелока, качество щепы и порода древесины.
Температура варки — основной фактор, определяющий ее продолжительность . На рис. 8 представлены результаты натронных варок канадского исследователя Брэя , проводившиеся без подъема температуры.
Влияние температуры на результаты щелочной варки древесины сосны
Для достижения одного и того же выхода при увеличении температуры варки на 10ºC необходимо затратить примерно в 2 раза меньше времени . Это правило может приблизительно оценить влияние температуры на про- должительность варки.
Кроме того, температура оказывает влияние на выход и качество целлюлозы . Выход при равной жесткости целлюлоз снижается при увеличении температуры выше 180 ºС. Вследствие щелочного гидролиза полисахаридов , уменьшение вязкости и прочности целлюлозы наблюдается значительно раньше. Поэтому в промышленности имеется устойчивая тенденция к снижению температуры варки, что позволяет получать целлюлозу с высокой вязкостью и прочностью
Начальная концентрация и расход активной щелочи В процессе щелочной варки активная щелочь нейтрализует образующиеся кислые продукты реакции. Поэтому концентрация активной щелочи а ходе варки уменьшается в 8-10 раз. Теоретическим расходом активной щелочи называется ее количество, связываемое с кислыми продуктами реакции .
Шведский химик Классон впервые установил теоретический расход щелочи равным 12 % Na 2 O от массы абсолютно-сухой древесины сосны. Однако дальнейшие исследования показали, что эта величина занижена. Кроме того, теоретический расход зависит от степени провара целлюлозы. При получении мягкой целлюлозы теоретический расход возрастает из-за более глубокой деструкции углеводов и составляет 25-31 % Na 2 O от массы растворенных органических веществ (13,7-17,0 % к а. с. древесине при выходе 45 %).
C теоретическим расходом невозможно получить целлюлозу заданной степени провара, так как растворение лигнина прекращается задолго до получения требуемой целлюлозы, вследствие падения концентрации активной щелочи. Кроме того, при низкой концентрации щелочи возможно обратное осаждение растворенного лигнина на волокна. Поэтому на варку задают избыток щелочи сверх теоретического расхода
Этот избыток, величина которого составляет 10-15 % для жестких и до 40 % для мягких целлюлоз, играет роль фактора, ускоряющего варку. В области выходов целлюлозы 40-48 % увеличение расхода щелочи в 2 раза сокращает продолжительность варки до одинакового выхода также в 2 раза. Повышение расхода активной щелочи, наряду с ускорением делигнификации , вызывает усиление деструкции и растворения углеводов. Поэтому варка каждого вида целлюлозы должна осуществляться с оптимальным расходом щелочи.
Начальную концентрацию щелочи при постоянном расходе в условиях производства можно менять, только изменив гидромодуль варки. Изучить влияние начальной концентрации возможно при проведении лабораторных исследований. Для сульфатной варки хвойной древесины увеличение концентрации активной щелочи в 2 раза сокращало продолжительность варки до одинакового выхода примерно в 2 раза
В производственных условиях, когда варка ведется при постоянном гидромодуле, повышение расхода щелочи в 2 раза приводит к возрастанию концентрации щелочи вдвое. Следо вательно, оба фактора действуют одновременно, поэтому увеличение расхода щелочи на варку в 2 раза должно сократить продолжительность варки до одинакового выхода в 4 раза
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Сульфидностью белого щелока называют эквивалентное соотношение, выраженное в долях или процентах. Присутствующий в белом щелоке сульфид натрия гидролизуется на гидроксид и гидросульфид натрия . Гидросульфид-ионы, образующиеся в результате диссоциации гидросульфида натрия, активно участвуют в реакциях с лигнином, способствуя ускорению делигнификации , и практически не влияют на скорость растворения углеводов.
Поэтому продолжительность варки до определенной степени провара сокращается по сравнению с натронной варкой, а выход возрастает . Улучшаются также прочностные показатели целлюлозы. Теоретически расход серы на реакции с лигнином составляет около 10 кг серы на 1 т абсолютно сухой древесины. В пересчете на активную щелочь это дает 2 % Na 2 О к массе абсолютно сухой древесины.
При варке хвойной древесины увеличение сульфидности от 0 до 16 % ускоряет варку так же, как повышение температуры на 7-8 ºС, а целлюлоза при равном выходе содержит в 1,5 раза меньше лигнина. Благоприятное влияние Na 2 S наблюдается до сульфидности около 40 %. При варке с очень высокой сульфидностью75-100 % растворение лигнина тормозится, а в целлюлозе возрастает содержание непровара . Это наблюдается потому, что при высокой сульфидности в активной щелочи ( NaОН + Na 2 S ) снижается доля NaОН , и торможение делигнификации происходит из-за недостатка NaОН .
При варке древесины лиственных пород положительное влияние Na 2 S проявляется раньше — уже при сульфидности около 5 % происходит значительное ускорение варки и улучшение свойств целлюлозы по сравнению с натронной. Однако увеличение сульфидности имеет и отрицательные стороны, среди которых можно отметить :
увеличение образования летучих метилсернистых соединений; усиление коррозирующего действия щелока на оборудование; более темный цвет целлюлозы после варки. На современных предприятиях сульфидность белого щелока обычно находится в пределах 25-40 %.
Качество щепы и порода древесины При щелочной варке пропитка происходит более быстро и равномерно, чем при сульфитной варке. Тем не менее, пропитка вдоль волокон идет гораздо быстрее, чем поперек, поэтому толщина щепы является важнейшим фактором. При увеличении толщины щепы в 2 раза продолжительность пропитки возрастает в 4 раза . На рис. 11 представлены результаты лабораторных варок сосновой щепы различной толщины.
Влияние толщины щепы на результаты сульфатной варки сосновой древесины
Видно, что при получении целлюлоз с одинаковым общим выходом увеличение толщины щепы вызывает снижение выхода сортированной целлюлозы и повышение выхода непровара .
С увеличением толщины щепы при равной разрывной длине происходит снижение прочности целлюлоз на раздирание. Причины этого явления связаны с неравномерностью делигнификации наружных и внутренних частей щепы. Неоднородность провара возрастает с увеличением толщины щепы — наружные части перевариваются, а внутренние недовариваются. Перевар ведет к деструкции углеводной части.
Поэтому вязкость и прочность целлюлоз, полученных из толстой щепы, более низкие. Оптимальной толщиной щепы считается 3-5 мм (более тонкую щепу производить неэкономично ). Производственная щепа, благодаря микротрещинам на ее поверхности , пропитывается быстрее, чем лабораторная (производственная щепа толщиной 10 мм пропитывается так же, как лабораторная толщиной 5 мм).
Общие требования к щепе: равномерность по толщине (толщина 3-5 мм); содержание щепы длиной 15-25 мм должно быть более 90 %; содержание опилок и спичек должно быть минимальным. На многих предприятиях сульфатную целлюлозу вырабатывают из лесопильных отходов и даже из опилок. Выход и прочность такой целлюлозы значительно меньше, чем из щепы. Основная причина — присутствие в ле сопильных отходах большого количества механически поврежденных волокон
При переработке древесины сульфатным способом допускается большее содержание гнили в щепе, чем при производстве сульфитной целлюлозы . Некоторые предприятия используют для варки неокоренную древесину . Это допустимо при выработке целлюлоз, сорность которых не нормируется (например, для обертки, мешочной бумаги, картона). Варка неокоренной древесины требует повышенного расхода активной щелочи (увеличение примерно на 0,4 % Na 2 O на каждый процент коры). Сорность такой целлюлозы неизбежно возрастает, а выход и прочность снижаются.
Кроме качества щепы, на варочный процесс и качество сульфатной целлюлозы влияет порода древесины. Из древесины сосны и ели получается сульфатная целлюлоза одинакового качества. Но выход целлюлозы из древесины ели на 1,5 % выше, так как в ней содержится меньше смолы.
При сульфатной варке древесины сибирской лиственницы, которая содержит от 10 до 25 % водоэкстрактивных веществ, необходимо увеличение расхода активной щелочи на 20-30 % по сравнению с варкой сосны. Выход целлюлозы из лиственницы значительно ниже, чем из сосны, и обычно составляет для целлюлозы средней жесткости 36-40 %. Однако, за счет более высокой объемной плотности древесины лиственницы, выход целлюлозы с 1 м 3 котла на 8-10 % выше, чем из древесины сосны.
Древесина лиственных пород делигнифицируется быстрее, чем хвойная . Ее обычно варят при меньшем расходе активной щелочи и при более низкой температуре. Показатели механической прочности сульфатной лиственной целлюлозы почти такие же, как хвойной. Исключение составляет сопротивление раздиранию — показатель, зависящий от длины волокна. Для лиственной сульфатной целлюлозы сопротивление раздиранию на 25 - 30 % ниже, чем для хвойной сульфатной целлюлозы.
Выход целлюлозы из лиственных пород более высокий, чем из хвойных . Ориентировочно выход сульфатной целлюлозы средней жесткости составляет : из древесины сосны 44-46 %; из древесины березы 50-51 %; из древесины осины 52-54 %.
Различия в выходе целлюлозы из хвойных и лиственных пород древесины объясняются более низким содержанием лигнина в березе и осине по сравнению с сосной и более высоким содержанием в них гемицеллюлоз. Сульфатная целлюлоза из лиственных пород древесины используется исключительно в беленом виде для производства писчих и печатных видов бумаги.
Прочие факторы варки К прочим факторам варки относят добавку в котел черного щелока и присутствие в варочном щелоке других компонентов, кроме NaOН и Na 2 S. Добавка в котел черного щелока широко используется в промышленности для повышения содержания сухих веществ в щелоке после варки и экономии тепла на его выпарку. Установлено, что добавка черного щелока на варку в количестве до 50-60 % от общего объема щелоков ускоряет варочный процесс и улучшает провар. При больших добавках наблюдается обратный эффект.
Присутствие в щелоке тиосульфата натрия ухудшает провар. Положительное влияние на процесс варки оказывают полисульфиды и антрахинон. Варианты щелочной варки в присутствии полисульфидов и антрахинона будут изложены ниже.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Полисульфиды натрия ( Na 2 S Х , где Х = 2…6) являются солями слабой полисульфидной кислоты. Полисульфидный ион содержит сульфидную серу S -2 и (Х-1) атомов полисульфидной серы S 0 . В составе полисульфидного иона S -2 25 % сульфидной и 75 % полисульфидной серы. Полисульфидностью (Х S ) называется отношение молярных количеств полисульфидной и сульфидной серы.
Полисульфиды — неустойчивые соединения, разлагаются при температуре выше 90 ºС. Конечными продуктами разложения поли- сульфидов являются сульфид и тиосульфат натрия. При варке целлюлозы около 40 % полисульфидов взаимодействует с веществами древесины , главным образом, концевыми карбонильными группами углеводов, а 60 % полисульфидов разлагаются до сульфида и тиосульфата
Существует два основных метода приготовления полисульфидного раствора: растворение серы в белом щелоке при температуре ниже 100 ºС; окисление белого щелока в присутствии катализатора
При окислении Na 2 S белого щелока воздухом в присутствии твердых активированных гранулированных углей с гидрофобным покрытием в течение 4-5 мин при 70-80 ºС около 75 % сульфида превращается в полисульфиды . Полученный полисульфидный (оранжевый) щелок затем используется для варки
Белый щелок, направляемый из отдела каустизации на окисление, должен быть тщательно очищен от взвешенных частиц во избежание быстрого загрязнения катализатора. Поэтому его пропускают через специальные полировочные фильтры, а затем подают в батарею реакторов для окисления
Полисульфидная варка применяется на нескольких зарубежных предприятиях . При одном и том же температурном режиме расход щелочи на полисульфидную варку увеличивают на 1-1,5 % Na 2 О к массе древесины по сравнению с сульфатной варкой. Дополнительная щелочь нейтрализует вновь возникающие карбоксильные группы углеводов. Недостатком полисульфидной целлюлозы является ее более низкая прочность на раздирание по сравнению с сульфатной целлюлозой (на 10-15 %).
В последние 20-30 лет интерес к полисульфидному способу вырос, благодаря необходимости защиты атмосферного воздуха от загрязнений. Как известно при сульфатной варке образуются токсичные и дурнопахнущие метилсернистые соединения. Их количество тем больше, чем выше сульфидность белого щелока. Поэтому окисление части сульфида и перевод его в полисульфиды , наряду с увеличением выхода целлюлозы, позволяет сократить образование метилсернистых соединений и уменьшить затраты на их обезвреживание.
Щелочная варка с антрахиноном Антрахинон как эффективная добавка, ускоряющая процесс щелочной варки, был открыт в 1975 г. американским химиком Холтоном . Антрахинон широко используется на сульфат-целлюлозных заводах Японии, США, Канады , Швеции и России.
Добавка антрахинона значительно эффективней при натронной варке, чем при сульфатной. При варке древесины лиственных пород добавляют 0,01-0,05 % антрахинона к массе древесины, при варке древесины хвойных пород — 0,05-0,1 %. При сульфатной варке в присутствии антрахинона сокращение продолжительности варки при получении целлюлоз одинаковой степени провара составляет 15-30 %.
Выход целлюлозы увеличивается за счет ускоре ния делигнификации , сокращения продолжительности варки, а также в некоторой степени путем воздействия на концевые редуцирующие группы полисахаридов. Повышение выхода сульфатных целлюлоз одинаковой жесткости в результате добавки антрахинона составляет 1,5-2,0 %. Показатели механической прочности целлюлоз, полученных с добавкой антрахинона, почти такие же, как у сульфатной целлюлозы. Однако сопротивление раздиранию снижается на 10-15 %.
В ходе варки большая часть антрахинона разлагается. Поэтому в строгом смысле антрахинон не является катализатором делигнификации . В настоящее время антрахинон и некоторые его производные применяют при сульфатном, полисульфидном и нейтрально-сульфитном методах варки.
Антрахинон поставляется на предприятия в мешках в виде сухого порошка кремового цвета. Он не растворим в воде, поэтому перед подачей на варку в мешалке готовят суспензию антрахинона в черном щелоке с концентрацией 15-20 %, а затем эту суспензию дозируют и подают в варочный котел.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
В сульфатной целлюлозе из хвойной древесины содержится 8-10 % устойчивых пентозанов , которые не растворяются при последующей отбелке. Поэтому сульфатная целлюлоза после обычной варки не пригодна для химической переработки. Для устранения этого недостатка древесину подвергают двухступенчатой комбинированной варке.
Во время первой ступени, которая называется предварительным гидролизом , происходит растворение легкогидролизуемых гемицеллюлоз и ослабление связей между целлюлозой и пентозанами . Кроме того, частично разрыхляется клеточная стенка, что облегчает растворение пентозанов при последующей сульфатной варке и повышает реакционную способность древесины. На второй ступени проводится обычная сульфатная варка.
Различают предварительный гидролиз ( предгидролиз ) кислотный, который проводится разбавленными минеральными кислотами и водный, проводимый водой при 160-170 ºC под давлением 0,6-0,7 МПа в течение 1-2 ч. Водный предгидролиз применяется в промышленности значительно чаще . При высокой температуре в процессе водной варки в раствор переходят органические кислоты — уксусная, муравьиная. Они и являются катализаторами , ускоряющими гидролиз гемицеллюлоз. При предгидролизе растворяется до 17 % веществ древесины. Из предгидролизата получают белковые кормовые дрожжи.
В России предгидролизную целлюлозу получают на Братском ЛПК и Байкальском ЦБК. В качестве сырья используют древесину сосны. Варку с предгидролизом осуществляют исключительно в котлах периодического действия. После отбелки и облагораживания целлюлоза имеет содержание
α-целлюлозы 95-96 % и идет на производство вискозного волокна и шинного корда. Выход предгидролизной целлюлозы после варки значительно ниже , чем обычной сульфатной целлюлозы, и составляет 31-32 % из древесины лиственницы и 35-36 % из древесины сосны
Улучшение селективности делигнификации Качество небелёной сульфатной целлюлозы для бумаги оценивают с помощью многих показателей. Одной из главных характеристик является содержание лигнина или отвечающая ему степень делигнификации . В зависимости от последней, небелёные сульфатные целлюлозы делятся на не- сколько видов . Однако получить целлюлозу с определённой степенью делигнификации при использовании одной и той же породы древесины можно, применяя различные режимы варочного процесса
Вырабатываемые при этом целлюлозы могут значительно отличаться по показателям качества. Лучшей мерой качества целлюлозы являются выход и прочностные характеристики, зависящие от сохранности углеводной части древесины. Поэтому задача варки – получение целлюлозы с максимально высокими вязкостью (от вязкости зависит прочность целлюлозы) и выходом при желаемой степени делигнификации .
Процессы делигнификации и разрушения углеводов тесно связаны между собой. На выход и прочность целлюлозы, а также на растворение лигнина влияют одни и те же факторы: температура варки, концентрация гидроксид - и гидросульфид-ионов на различных её этапах, концентрация растворённых в щелоке веществ, толщина и однородность щепы. Задачей сульфатной варки является создание оптимальных условий для делигнификации при минимальном растворении и укорочении макромолекул углеводов .
Температура варки – основной фактор, определяющий её продолжительность . Увеличение температуры выше 150 °C вызывает снижение вязкости целлюлозы вследствие развития реакции щелочного гидролиза полисахаридов . Поэтому в промышленности наблюдается тенденция к снижению температуры варки.
Гидросульфид-ионы, необходимые для реакции сульфидирования лигнина , образуются при гидролизе сульфида натрия. В белом щелоке значи - тельная концентрация [OH – ] препятствует гидролизу сульфида (степень гидролиза при комнатной температуре составляет 40 %). В чёрном щёлоке, имеющем pH около 12, сульфид натрия гидролизуется полностью. Поэтому создание благоприятных условий делигнификации возможно путём применения щёлока высокой сульфидности (до 40 %), а также при использовании предварительной обработки щепы чёрным щёлоком.
Ионы [OH – ] ускоряют и делигнификацию , и разрушение углеводов. Исследования кинетических закономерностей сульфатной варки целлюлозы показали , что высокая концентрация гидроксид-ионов в начальный период варки нежелательна, так как приводит к заметной деструкции углеводов
При однократной подаче белого щелока в начале варки гидроксид- ионов не хватает для растворения деструктированного лигнина на последующих её этапах. Поэтому рекомендуется осуществлять подачу белого щёлока дробно, дозируя его в ходе варки несколькими порциями . Наряду со снижением температуры, это позволяет улучшить равномерность провара щепы по толщине и повысить селективность делигнификации .
Важнейшими факторами варки являются толщина и однородность щепы . Щепа различной толщины делигнифицируется неодинаково. С увеличением толщины снижается скорость объёмной делигнификации , а переход к остаточной делигнификации происходит при более высоком числе Каппа
Если щепа неоднородна по толщине, то тонкая щепа быстро потребляет активную щёлочь, и её не хватает на варку толстой щепы. Концентрация активной щелочи внутри тол- стой щепы примерно в 3 раза ниже, чем внутри тонкой. Поэтому толстая щепа, а также неоднородная по толщине щепа делигнифицируются неравномерно . Лучшим способом получения прочной сульфатной целлюлозы из толстой щепы является снижение температуры варки.
Растворённые в щёлоке вещества – лигнин, углеводы, минеральные соли – оказывают существенное влияние на процесс делигнификации . Было показано, что повышение концентрации органических веществ в щелоке на стадиях объёмной и остаточной делигнификации вызывает увеличение расхода активной щёлочи, снижение прочности и ухудшение белимости целлюлозы . Это объясняется побочными реакциями с участием белого щёлока и продуктов деструкции древесины, на которые эта щёлочь затрачивается. Следовательно, уменьшение концентрации растворённых веществ должно привести к улучшению результатов варки, что и подтверждается практикой.
Кинетические и качественные зависимости, позволяющие улучшить селективность делигнификации при сульфатной варке можно выразить в виде нескольких положений (принципов): концентрация гидросульфид-ионов в начале варки должна быть высокой ;
концентрация гидроксид-ионов должна быть невысокой в начале варки и почти постоянной в течение всего варочного процесса; на стадиях объёмной и остаточной делигнификации концентрация растворённых в щёлоке веществ должна быть минимальной;
варку следует проводить при минимально возможной температуре; необходимо использовать однородную по толщине щепу толщиной не более 5 мм. Изложенные выше принципы нашли широкое применение на практике. Конструктивные особенности установок и технологические приёмы, необ - ходимые для реализации этих принципов в промышленных условиях, будут рассмотрены при описании техники периодической и непрерывной суль - фатной варки.
Кинетические кривые делигнификации сосновой щепы различной толщины. I - начальная стадия; II - объемная стадия; III - остаточная стадия
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Периодическая сульфатная варка Для периодической сульфатной варки применяют сварные варочные котлы, изготовленные из обычной углеродистой стали. Котлы для варки предгидролизной и изоляционной целлюлозы для лучшей защиты от коррозии изготавливают из биметалла. На отечественных предприятиях работают котлы объемом 110, 125, 140, 160 и 200 м 3 .
Диаметр котлов 3,6-4,5 м, высота 13,3-16,9 м. На зарубежных предприятиях, как правило, используются более крупные варочные котлы, объемом 200-400 м 3 . Преимуществом больших котлов являются уменьшение объема здания и сокращение затрат при строительстве. Все котлы теплоизолированы . Толщина слоя изоляции 75-100 мм . Современные варочные котлы имеют систему принудительной циркуляции с непрямым нагревом
Схема стационарного котла с системой принудительной циркуля- ции Эско : 1 - варочный котел; 2 - циркуляционный насос; 3 - подогреватель; 4 - круговая сетка
Щелок забирается из-под круговой сетки 4, расположенной примерно на середине высоты котла 1, прокачивается циркуляционным насосом 2 че- рез подогреватель 3, после которого подогретый щелок разделяется на две части. Первая часть подается в верхнюю, вторая — в нижнюю часть котла. Производительность циркуляционного насоса должна обеспечить прохождение объёма щёлока, равного объёму котла, 12-15 раз в час через теплообменник за время подъема температуры
Поверхность нагрева рассчитывается таким образом, чтобы на 1 м 3 объема котла приходилось 0,9-1,4 м 2 поверхности теплообменника. Крышки современных варочных котлов плоские или сферические с шаровым затвором и дистанционным управлением, рассчитаны на рабочее давление 1,2 МПа и температуру 180 ºС.
Основные операции в работе варочного котла Осмотр котла (5-10 мин). Проводится для котла и всей варочной установки для подготовки их к очередному циклу варки. Загрузка щепы (30-60 мин). Загрузка щепы начинается после установки воронки или телескопической трубы, соединяющей бункер с горловиной котла. Для увеличения количества загружаемой щепы производится паровое уплотнение.
Пар подается через специальное уплотняющее устройство, расположенное в верхней горловине котла. Часто для уплотнения используется заливка щелока с его циркуляцией, а также комбинированный способ пропарки с циркуляцией . Применение пропарки щепы и заливки с циркуляцией позволяет увеличить объемную плотность загрузки до 0,35-0,42 пл. м 3 древесины на 1 м 3 котла
Заливка щелоков (30-40 мин). Обычно при заливке в котел температура белого щелока составляет 50- 60 ºС, черного 60-80 ºС. Порядок заливки щелоков может быть разным. Це - лесообразно сначала задавать в котел небольшое количество черного щелока , затем полное количество белого щелока, исходя из принятого расхода активной щелочи и концентрации активной щелочи в белом щелоке, а под конец закачивать оставшееся количество черного щелока .
Объем белого щелока обычно составляет 0,25-0,3 объема котла. С учетом влаги в котле и конденсата от пропарки гидромодуль после заливки белого щелока составляет (2,2-2,5) : 1. Недостающее количество жидкости до заданного гидромодуля (3,8-4,5) : 1 восполняется черным щелоком из промывного отдела.
При расчете расхода щелочи на варку учитывается только активная щелочь в белом щелоке. Остаточная активная щелочь, содержащаяся в черном щелоке (5-8 г/л в ед. Na 2 O), во внимание не принимается
Нагрев котла (2-6 ч). После загрузки щепы и заливки щелоков крышку котла закрывают, котел герметизируют и нагревают его содержимое путем циркуляции щелока через подогреватель. Нагрев производится в соответствии с графиком варки , принятым в технологическом режиме. Период нагрева до конечной температуры (160-170 ºС) называется заваркой . На современных предприятиях подъем температуры, последующая варка и другие операции контролируются и управляются системой автоматического регулирования технологическим процессом.
В период подъема температуры образуются различные газообразные продукты (метанол, метилсернистые соединения, скипидар и др.), которые создают в котле избыточное давление, не соответствующее температуре варки. Начиная со 120 ºС, проводят так называемую терпентинную ( скипидарную ) сдувку , продолжающуюся до достижения температуры варки. При сдувке из котла удаляются воздух, водяные пары, скипидар. Сдувки направляют на установки для улавливания тепла и получения скипидара .
Варка (0,5-2 ч). Варкой называют стоянку на конечной температуре. В этот период подачу пара в подогреватель прекращают, но циркуляция продолжает работать до завершения варки . Незначительные потери тепла, происходящие при варке, компенсируются выделением тепла за счет химических реакций. Конец варки определяется по времени. По завершении варки в течении 30-45 мин проводится конечная сдувка , при которой давление в котле снижается с 0,8 МПа до 0,4-0,5 МПа.
Опорожнение котла. Обычно котлы разгружают методом выдувки с полного или пониженного (если есть конечная сдувка ) давления. Выдувка производится в выдувной резервуар, который представляет собой промежуточную емкость, где хранится масса перед промывкой. Выдувной трубопровод, как правило, соединяет несколько варочных котлов (2-4) с выдувным резервуаром .
При объеме котлов 110-140 м 3 диаметр выдувного трубопровода должен быть не менее 250-300 мм. Выдувной трубопровод присоединяется по касательной к верхней части выдувного резервуара. Пары вскипания уходят через патрубок в верхнем конусе выдувного резервуара в ловушку, а затем в установку для улавливания тепла.
Емкость выдувного резервуара примерно в 3 раза превышает объем варочного котла. В нижней части резервуара есть мешалка. Если резервуар вводят в работу после ремонта, и в нем нет массы, то нижний конус заполняют черным щелоком. Выдувка в пустой резервуар не допускается, так как это приведет к поломке мешалки. Концентрация массы в выдувном резервуаре после выдувки 11-15 %. В нижней части масса разбавляется черным щелоком до 2,5-3,5 %. Разбавленную массу подают насосом на промывную установку. Полный оборот котла (сумма всех операций) составляет 2,5-8 ч.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
При варке сульфатной целлюлозы в промышленных условиях может применяться медленная или быстрая варка. Решающим обстоятельством для выбора режима варки является совокупность таких факторов, как объем и тип котлов, мощность котельной, производительность циркуляционной установки, требования к качеству целлюлозы.
Медленной варке свойственны длительная заварка и варка при пониженной температуре и невысоком расходе щелочи. Медленная варка обеспечивает равномерный провар и сокращение расхода пара , медленную варку практикуют отечественные заводы, вырабатывающие целлюлозу для электроизоляционных и конденсаторных видов бумаг. Это объясняется необходимостью получения целлюлозы высокого качества с равномерным проваром, высокой прочностью и термостойкостью.
Быстрая варка используется при получении целлюлозы высокого выхода , жесткой, а иногда даже белимой целлюлозы. При этом расход щелочи выше и составляет 260-310 кг Na 2 O на 1 т жесткой целлюлозы, 270-330 кг/т целлюлозы для технических бумаг и 320-450 кг/т белимой целлюлозы. Конечная температура варки 170-177 ºС. Основной признак быстрой варки —ускоренная заварка (45-50 мин для жесткой целлюлозы, 1-2 ч для белимой). Стоянка на конечной температуре обычно дольше чем при медленной варке (1-2 ч для жесткой, 1,5-2,5 ч для белимой целлюлозы).
Расход пара на варку В табл. 3 представлены затраты тепла на периодическую сульфатную варку. Общий расход тепла принят за 100 %, и каждая статья затрат тепла выражена в процентах к общему расходу.
Статьи расхода тепла на периодическую сульфатную варку Статья расхода Распределение расхода тепла, % Нагрев: – абсолютно-сухой древесины и растворенных органических веществ 10,09 – влаги в щепе 15,24 – щелока и растворенных минеральных веществ 71,6 – корпуса котла 2,33 – теплоизоляционного слоя 0,52 Потери тепла: – с теплоотдачей 1,52 – с терпентинной сдувкой 8,22 Приход тепла от экзотермических реакции - 9,62 Итого расход тепла 100 Статья расхода Распределение расхода тепла, % Нагрев: – абсолютно-сухой древесины и растворенных органических веществ 10,09 – влаги в щепе 15,24 – щелока и растворенных минеральных веществ 71,6 – корпуса котла 2,33 – теплоизоляционного слоя 0,52 Потери тепла: – с теплоотдачей 1,52 – с терпентинной сдувкой 8,22 Приход тепла от экзотермических реакции - 9,62 Итого расход тепла 100
При сульфатной варке имеется два источника тепла: тепло греющего пара и тепло, выделяющееся при реакциях щелочи с древесиной (тепло экзотермических реакций). При обычных режимах сульфатной варки расход пара составляет 1,8-2,3 т на 1 т целлюлозы. Все это тепло расходуется в период заварки. Во время стоянки небольшие теплопотери компенсируются приходом тепла от экзотермических реакций. 85-87 % всех затрат тепла составляет нагрев щелока и влаги в щепе.
Поэтому меры, влияющие на эту статью расхода, дают наибольшую экономию. Снижение конечной температуры варки на 1 ºС экономит примерно 1 % пара. Уменьшение гидромодуля на 10 % должно дать экономию пара около 10 %. Однако наибольший эффект дает увеличение начальной температуры заливаемых в котел щелоков . Способы, основанные на подогреве щелоков за счет тепла отбираемого из котла черного щелока, позволяют сократить удельный расход пара на варку более, чем в 2 раза .
Периодическая сульфатная варка с использованием тепла черного щелока В последние 20-25 лет в промышленности используются усовершенствованные способы периодической сульфатной варки, позволяющие существенно уменьшить расход пара на варку. На рис. 15 представлена технологическая схема варочного цеха, работающего по теплоэкономичной технологии SuperBatch .
Схема периодической сульфатной варки SuperBatch
Варочный котел отличается от обычного тем, что сетки для отбора щелока расположены в его верхней части. Циркуляция щелока осуществляется путем его отбора из верхней части котла и подачи в нижнюю часть. Установка для утилизации тепла выдувки не требуется, однако необходимо дополнительное оборудование: бак-аккумулятор для горячего черного щелока, работающий под давлением , ёмкость которого равна количеству черного щелока от 2-4 варок ;
ёмкость для вытесненного чёрного щёлока; бак-аккумулятор для горячего белого щёлока, работающий под давлением ; теплообменник для нагрева белого щёлока горячим чёрным щёлоком. После завершения варки в нижнюю часть варочного котла насосом высокого давления подается фильтрат из промывного цеха
Основные операции технологии SuperBatch
Одновременно из верхней части варочного котла в бак-аккумулятор отбирается вытесняемый горячий и крепкий черный щелок. В конце вытеснения температура вытесняемого щелока резко снижается . Самая холодная часть вытесненного щелока направляется в емкость для черного щёлока (поз. 2).
После завершения вытеснения температура в варочном котле уменьшается до 90-95 ºС. Разгрузка целлюлозы осуществляется либо выдавливанием массы сжатым воздухом, либо с помощью насоса (поз. 3). Белый щёлок, поступающий в варочный цех, нагревается в теплообменниках горячим черным щёлоком и хранится в баке-аккумуляторе белого щелока, работающем под давлением (поз. 4).
Варка начинается с заполнения котла щепой и пропарки (поз. 5). Воздух из котла отводится вентилятором. Затем в котел закачивается тёплый (с температурой около 100 ºС) чёрный щёлок, который нагревает щепу и удаляет из нее воздух. Теплый щёлок циркулирует через варочный котел и ёмкость для теплого щелока.
После заливки тёплого чёрного щёлока в нижнюю часть котла подают горячий чёрный щёлок и необходимое количество горячего белого щёлока (поз. 6). Одновременно теплый черный щёлок вытесняется из верхней части котла обратно в ёмкость тёплого чёрного щёлока. Во время заливки горяче го щёлока давление в котле поднимают до уровня, соответствующего температуре щёлока (поз. 7 )
После заливки щелоков подъем температуры до конечной осуществляется путем циркуляции щёлока через подогреватель (поз. 8). По завершении стоянки на конечной температуре начинается вытеснение горячего чёрного щёлока, температура в котле снижается, химические реакции прекращаются . Отобранный в бак-аккумулятор (поз. 9) горячий чёрный щёлок хранится при температуре около 165 ºС (если конечная температура варки составляла 170 ºС).
Белый щёлок при наличии эффективного теплообмена можно нагреть до температуры 150-160 ºС. Благодаря этому, после заливки щелоков в котле достигается высокая температура, и пар необходим только для нагревания содержимого котла до температуры варки. Поскольку температура в выдувном резервуаре около 90 ºС, выделение дурнопахнущих сернистых соединений сокращается по сравнению с обычной периодической варкой в десятки раз (табл. 4).
Выбросы сернистых соединений Дурнопахнущий газ Количество, кг/т в.с.целлюлозы обычная периодическая варка варка с вытеснением горячего черного щелока Сероводород 0,04 0,00 Метилмеркаптан 0,90 0,00 Диметилсульфид 0,11 0,01 Диметилдисульфид 0,03 0,01 Всего 1,08 0,02
Применение теплоэкономичной технологии периодической сульфатной варки SuperBatch обеспечивает следующие преимущества в сравнении с обычной периодической варкой: снижение расхода пара на варку (на 50-70 %); увеличение прочности целлюлозы при более высоком выходе (на 1- 2 %) за счет более равномерного провара; возможность получения глубоко проваренной целлюлозы с числом Каппа 10…15;
улучшение отбора щелока и промывки целлюлозы; значительное сокращение сернистых выбросов при разгрузке котла . В настоящее время в мире успешно работают более 11 установок периодической варки по методу SuperBatch,причем используются варочные котлы большой емкости 200…400 м 3 .
При варке древесины хвойных пород в промышленных условиях с использованием теплоэкономичного метода возникли некоторые трудности. На трубках выпарной установки отмечалось отложение солей кальция. Оказалось , что основным источником кальция является хвойная древесина. При обычной периодической сульфатной варке концентрация кальция в щелоке увеличивается при нагревании, затем достигает максимума при температуре варки, после чего резко снижается
Кальций входит в состав образующихся при варке комплексных соединений . При высокой их концентрации на горячих поверхностях (в теплообменниках , выпарных аппаратах) могут образоваться отложения. При варке SuperBatch щепа пропитывается теплым черным щелоком с температурой около 100 ºC. Затем, после пропитки этот щелок идет на выпарку. Перед выпаркой щелок больше не подвергается тепловой обработке
Однако в пропиточном щелоке присутствуют комплексные соединения кальция, образовавшиеся при взаимодействии черного щелока с древесиной. Эти соединения неустойчивы и в трубках выпарных аппаратов разлагаются с образованием осадка карбоната кальция. Проведенные исследования позволили найти способ разрушения комплексных соединений кальция непосредственно в варочном котле. Новая технология варки SuperBatch -К использует этот способ в варочном цикле.
В течение варочного цикла подача щелоков осуществляется в нижнюю часть котла, а отбор щелоков производится через сита в верхней его части. Комбинированное заполнение котла щепой и пропитка. Котел загружается щепой. Для обеспечения более плотной загрузки производится пропарка. Подача в котел пропиточного щелока начинается при подаче щепы. Для регулирования концентрации активной щелочи в пропиточном щелоке добавляется небольшое количество белого щелока. Заполнение идет до тех пор, пока котел не будет переполнен.
Избыточный щелок возвращается в бак черного щелока (К-бак). Через вытеснительные сита в верхней части котла вентиляторами удаляется выделившийся из щепы воздух. В конце ступени насосом для щелока в котле создается избыточное давление . Время заполнения котла по сравнению с процессом SuperBatch сокращается на 25 %.
Заполнение горячим щелоком. Горячий черный щелок закачивается в котел из бака-аккумулятора и вытесняет пропиточный щелок, содержащий комплексные соединения кальция, в К-бак. Часть вытесненного щелока, имеющая температуру выше 100 ºC, поступает в бак-аккумулятор горячего черного щелока. Затем в ко- тел подают горячий варочный щелок. Для этого горячий белый щелок из бака-аккумулятора белого щелока смешивается с горячим черным щелоком и поступает в котел . После закачки щелоков температура в котле составляет 150-160 ºС. Обычно белый щелок подают в два этапа — большую часть вместе с черным щелоком, оставшуюся часть в течение нагрева и варки.
Схема варочного процесса SuperBatch -К
Нагрев. Нагрев до конечной температуры производится паром среднего давления , который подается прямо в трубу циркулирующего щелока. Варка идет по времени, часть горячего белого щелока поступает в котел во время варки . Вытесненный черный щелок отбирается в бак-аккумулятор горячего черного щелока .
Вытеснение. На вытеснение сначала подают щелок из К-бака. Таким образом, высокая температура в котле используется для разрушения комплексных соединений кальция, перешедших в раствор при варке. Окончательное вытеснение ведут фильтратом от промывной установки. Вытесненный горячий черный щелок идет на выпарку и на следующую варку . Количество вытесненного щелока соответствует объему фильтрата от промывной установки. В конце вытеснения температура массы ниже 90 ºС.
Выгрузка . Масса выгружается насосом при низком давлении . При выгрузке масса разбавляется в нижней части котла черным щелоком, отобранным из котла в конце вытеснения. Температура при выгрузке должна быть ниже 100 ºС. Это сохраняет прочность целлюлозы и предотвращает сернистые выбросы
Система баков. В состав варочной установки входят два бака-аккумулятора (для черного и белого щелоков) под давлением, устройства для улавливания волокна из вытесненного щелока, пеносборник и бак черного щелока (К-бак).
Теплопередача. Горячий черный щелок, не используемый для последующих варок, охлаждается в теплообменнике белым щелоком и водой. Затем он идет на фильтрацию от мелкого волокна, съем сырого сульфатного мыла и на выпарку . Отделенное волокно возвращается в варочный процесс. Доводка температуры белого щелока до заданной производится непрерывно в теплообменнике с использованием пара высокого давления. В баке- аккумуляторе горячего черного щелока также есть циркуляция с подогревом щелока в теплообменнике.
Удаление скипидара и неконденсируемых газов. Бак-аккумулятор горячего черного щелока соединен с системой поверхностных конденсаторов. Газы охлаждаются в две стадии. Конденсат идет в декантатор скипидара, а скипидар – в бак скипидара и далее на очистку . Загрязненный конденсат поступает в отгонную колонну. Неконденсируемые газы высокой концентрации направляются на сжигание вне варочного цеха. Газы низкой концентрации из баков, работающих без давления, собираются, охлаждаются и так же, как и газы из варочных котлов идут на дезодорацию.
Основные преимущества процесса SuperBatch -К перед SuperBatch : комбинированная подача щепы и пропиточного щелока сокращает загрузку и обеспечивает более равномерную варку; в цикле варки снижается концентрация сухих веществ; при варке разрушаются комплексные соединения кальция; более эффективно происходит отделение мыла; капитальные вложения снижаются за счет горизонтальной компоновки баков.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Первая установка этого типа была пущена в 1938 г. на заводе Карлсберг в Швеции. Сегодня в установках Камюр производится около 2 / 3 всей целлюлозы в мире. Единичная мощность установки Камюр уже превысила 4500 т/ сут . Варочный котел при такой производительности имеет диаметр в нижней части 12,5 м и высоту 72 м. В настоящее время правами на эти установки владеет фирма Metso .
Успешное развитие непрерывной варки – результат ее преимуществ перед периодическим способом. Непрерывная вар- ка в сравнении с периодической позволяет: увеличить выход целлюлозы с 1 м 3 котла; сократить объемы зданий и площади производственных помещений; уменьшить объем емкостей для щепы, щелока и массы;
сократить расход пара на варку (из-за более низкого гидромодуля); осуществлять диффузионную промывку массы в котле с отбором на регенерацию крепкого черного щелока; организовать сбор и транспортировку потока дурнопахнущих газов высокой концентрации на сжигание.
Первым аппаратом варочной установки является бункер щепы. Современный бункер – аппарат закрытого типа, в нем щепа про- паривается парами вскипания. Цель пропарки – удаление из щепы воздуха и летучих веществ, а также ее нагрев. После бункера щепа проходит два ротационных механизма – дозатор щепы и питатель низкого давления. Дозатор предназначен для подачи определенного количества щепы в питатель низкого давления
Дозатор состоит из неподвижного корпуса и вращающегося ротора с карманами, в которые из воронки бункера ссыпается щепа. При повороте ротора на 180º щепа поступает в питатель низкого давления. Количество загружаемой в котел щепы определяется емкостью карманов и частотой вращения ротора. Питатель низкого давления предназначен для подачи щепы в пропарочную камеру
Он также является запорным устройством, обеспечивающим поддержание в пропарочной камере избыточного давления (0,1-0,25 МПа). Пропарка производится парами вскипания из расширительных резервуаров в течение 3-5 мин. Передвижение щепы осуществляется транспортирующим шнеком.
Избыток паров вскипания вместе с удаленным из щепы воздухом и летучими веществами отводится из пропарочной камеры в спиральный теплообменник и далее в терпентинный конденсатор. Таким образом , в процессе загрузки проводятся две стадии пропарки, что позволяет полностью удалить из щепы воздух, летучие вещества и повысить ее температуру .
После пропарочной камеры щепа промывается циркулирующим щелоком , освобождается от инородных тяжелых предметов и включений, а затем поступает в питательную трубу, где встречается с циркуляционным черным щелоком. Из нижней части питательной трубы щепа попадает в ротационный питатель высокого давления. Питатель высокого давления (ПВД) является запорным устройством между варочным котлом, работающим под давлением 1,0-1,5 МПа, и пропарочной камерой, где давление низкое: 0,1- 0,25 МПа.
ПВД представляет собой непрерывно вращающийся двухходовой кран, в пробке которого имеется камера с решеткой для поступления щепы и щелока. Когда пробка занимает вертикальное положение, камера заполняется щепой и щелоком. Избыток щелока фильтруется через решетку и воз- вращается насосом в питательную трубу. После поворота на 90º пробка за- нимает горизонтальное положение, и щепа вымывается струей щелока под давлением около 1,0 МПа в котел.
Подача щепы в котел осуществляется при гидромодуле 20:1. Большая часть транспортирующего щелока отбирается в верхнем сепараторе котла (или пропиточного аппарата) и возвращается в ПВД. Варочный щелок подается в верхнюю горловину котла по отдельной линии.
Система загрузки варочного аппарата Камюр : 1 - бункер щепы; 2 - дозатор щепы; 3 - питатель низкого давления; 4 - про- парочная камера; 5 - питательная труба; 6 - питатель высокого давления
Варочный котел представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд . В верхней горловине котла расположен сепаратор, назначение которого заключается в отборе транспортирующего щелока и установлении заданного гидромодуля варки (2,8÷3,2):1. Сепараторы бывают различной конструкции : прямые, инвертированные, наклонные, а варочные котлы могут иметь в верхней части паровую фазу или же быть гидравлическими, когда щепа загружается под уровень щелока.
На рис. 19 показана конструкция верхней горловины гидравлического варочного котла. По центру горловины установлен сепаратор, представляющий собой вертикальный загрузочный шнек 1, заключенный внутри сетчатого цилиндра 5. Транспортирующий щепу щелок попадает внутрь этого цилиндра, проходит через шлицевые отверстия цилиндра в кольцевую камеру, откуда отводится в ПВД. Количество щелока, остающегося внутри цилиндра, определяет гидромодуль загрузки. Между витками шнека и сетчатым цилиндром имеется зазор около 0,5 мм. Шнек при вращении очищает сито от мелкой щепы и опилок.
Рис. 19. Верхняя горловина варочного котла: 1 - загрузочный шнек; 2 - вал; 3 - электродвигатель; 4 - крышка; 5 - сетчатый цилиндр; 6 - штанга
Тема В однососудном варочном котле щепа и щелок после верхнего сепаратора попадают в зону пропитки, продвигаясь сверху вниз за счет силы тяжести . Циркуляция щелока начинается с его отбора через кольцевое сито (рис20).
Циркуляция и отбор щелока
Отобранный щелок нагревается в теплообменнике и возвращается через центральную трубу в соответствующую зону аппарата. Радиальный поток нагретого щелока выравнивает температуру и концентрацию щелочи по сечению аппарата.
Двигаясь вниз, щепа и щелок входят в зону варки, где происходит нагрев до конечной температуры (нагрев осуществляется так же, как и в зоне пропитки). В варочной зоне растворяется основное количество лигнина, в щелоке увеличивается концентрация сухих веществ, и он приобретает темно-коричневую окраску. Щепа в конце варки становится мягкой, но сохраняет свою форму
Нижняя часть аппарата является зоной горячей диффузионной промывки . Черный щелок из промывного отдела с температурой 70-80 ºС насосом высокого давления вводится в нижнюю часть котла (рис. 21).
Промывка, отбор черного щелока и выдувка
Поток промывного щелока в котле двигается снизу вверх навстречу (противотоком) проваренной щепе и вытесняет крепкий отработанный щелок , который отбирается в зону циркуляции, нагревается примерно до 130 ºС и снова возвращается в промывную зону через центральную трубу. Крепкий черный щелок на регенерацию отбирается в средней части котла и расширяется до атмосферного давления в двух или трех расширительных резервуарах.
Сваренная целлюлоза с помощью донного шабера поступает в выдувную линию и далее при температуре 80-90 ºС и концентрации 10- 12 % – в выдувной резервуар. Пары самоиспарения из расширительных резервуаров используются для пропарки щепы
Тема Горячая диффузионная промывка под давлением при температуре около 130 ºС эквивалентна трем ступеням промывки целлюлозы на вакуум- фильтрах. Использование паров вскипания после расширительных резервуаров для пропарки щепы дает экономию тепловой энергии. Качество целлюлозы , вырабатываемой в установках непрерывного действия Камюр , та- кое же как у целлюлозы, получаемой в периодических котлах.
Совершенствование установок непрерывной варки Камюр На рис. 22 представлена схема варочной установки с горячей диффузионной промывкой массы, разработанная во 2-й половине XX столетия.
Рис. 22. Схема установки непрерывного действия для обычной (прямоточной) варки
Щепа и щелок в зоне варки передвигаются в одном направлении ( прямотоком ). Весь белый щелок подается в верхнюю часть котла. При получении белимой целлюлозы хвойная древесина варится до числа Каппа 30, древесина лиственных пород до числа Каппа 20 . В 1984 г. на заводе Варкаус в Финляндии был пущен в эксплуатацию котел для модифицированной варки (МСС) (рис. 23). В нем возможно получать более мягкую целлюлозу, отбелка которой требует значительно меньших расходов отбеливающих реагентов.
При модифицированной варке для эффективного растворения лигнина его концентрацию в черном щелоке снижают за счет отбора черного щелока и замены свежим белым щелоком. Котел для модифицированной варки имеет зону прямоточной и зону противоточной варки, причем отбор крепкого щелока из котла производится перед противоточной варочной зоной. Подача белого щелока осуществляется раздельно на пропитку и противоточную варку
Таким образом, модифицированная варка начинается при более низком расходе активной щелочи, чем обычная варка. В зоне противоточной варки вводится оставшаяся часть белого щелока, и поток щелока, укрепленный белым щелоком, двигается вверх, навстречу массе. Углубление делигнификации происходит благодаря отбору части черного щелока с высоким содержанием лигнина (это снижает концентрацию растворенного лигнина) и за счет ускорения делигнификации в результате введения свежего белого щелока. Число Каппа хвойной целлюлозы составляет 23-25 , лиственной 16-18.
Схема варочного котла для модифицированной варки
В дальнейшем модифицированную варку пытались усовершенствовать за счет подачи небольшого количества белого щелока в зону диффузионной промывки. Этот способ получил название продленной модифицированной варки (ЕМСС). Однако невысокая температура в зоне диффузионной промывки (130-135 ºС) не позволила добиться эффективного растворения лигнина и существенно снизить число Каппа.
тема Изотермическая варка В этом варианте модифицированной варки вся зона диффузионной промывки используется и для растворения лигнина. В нижнюю циркуляцию добавляют некоторое количество белого щелока, а температура во всех зонах аппарата поддерживается одинаковой (160 ºС для хвойной и 150 ºС для лиственной древесины).
Таким образом температура снижается по сравнению с обычной варкой примерно на 10 ºС, а продолжительность варки возрастает , благодаря тому, что варка (т. е. растворение лигнина) продолжается и в зоне диффузионной промывки массы. В результате снижения температуры варки уменьшается разрушение углеводов, и делигнификация идет без ухудшения прочности целлюлозы. Число Каппа хвойной целлюлозы снижается до 18-20, лиственной до 12-15.
Изотермическая варка имеет следующие преимущества перед обычной: за счет делигнификации при низкой температуре обеспечивается лучшая селективность — выход, вязкость и прочность целлюлозы при равном содержании лигнина более высокие; количество отходов сортирования (сучков и непровара ) в массе снижается в 4 раза (с 2 % до 0,5 %); при отбелке целлюлозы значительно сокращается расход отбеливающих реагентов , что позволяет полностью отказаться от ступени хлорирования и перейти к ECF отбелке (без применения молекулярного хлора).
Изотермическая варка с пропиткой горячим черным щелоком Пропитка щепы белым щелоком в отдельном пропиточном аппарате долгое время применяется в установках Камюр и позволяет улучшить равномерность провара. На рис. 24 представлена схема изотермической варки с пропиткой щепы горячим черным щелоком. Горячий черный щелок из нижнего расширительного резервуара поступает вместе с белым щелоком на пропитку в верхнюю часть пропиточного аппарата, двигаясь прямотоком со щепой
В нижнюю часть пропиточного аппарата вводятся другая часть черного щелока (отбираемого после котла из верхнего расширительного резервуара) и белый щелок, которые в нижней части пропиточного аппарата двигаются противотоком к щепе. Из средней части аппарата часть укрепленного черного щелока отбирается на регенерацию.
Продолжительность пропитки увеличена и составляет 40 мин при температуре около 130 °C. Во время нахождения в пропиточном аппарате древесина насыщается ионами HS¯, концентрация которых в черном щелоке выше, чем в белом. Это делает лигнин более реакционноспособным и придает углеводам устойчивость к щелочной деструкции.
Схема изотермической варки с пропиткой щепы горячим черным щелоком
Тепло черного щелока, поступающего на пропитку, передается щепе до того, как она попадет в верхнюю часть котла. В результате сокращается расход пара на варку, возрастает содержание сухих веществ в черном щелоке на регенерацию. Прочность целлюлозы на раздирание увеличивается, а способность к отбелке не меняется по сравнению с изотермической варкой.
В последние 10-15 лет описанные выше методы варки применяются для получения целлюлозы средней жёсткости (значение числа Каппа 20 и 30 для лиственной и хвойной целлюлозы, соответственно). В этом случае преимуществами усовершенствованной технологии будут улучшение прочностных характеристик и повышение выхода целлюлозы (на 2-3 %).
Тема Технология непрерывной варки LO-SOLIDS Технология LO-SOLIDS является одной из разновидностей модифицированной варки. Основное внимание уделяется минимизации концентрации растворённых в щелоке веществ на стадиях объёмной и остаточной делигнификации .
Многочисленные лабораторные исследования показали, что снижение вязкости и прочности целлюлозы происходит из-за побочных реакций углеводов с находящимися в щёлоке растворёнными веществами. Кроме того, высокое содержание растворённых веществ вызывает ухудшение белимости целлюлозы и увеличение расхода активной щёлочи на варку.
В технологии LO-SOLIDS стремятся поддерживать равномерный про- филь концентрации активной щёлочи по высоте котла и проводить варку при минимально возможной температуре.
В нескольких зонах аппарата (обычно в двух) производится отбор чёрного щёлока с высоким содержанием растворённых веществ и замещение его промывным фильтратом с добавкой свежего белого щёлока . Таким образом, происходят снижение концентрации растворённых веществ и выравнивание концентрации активной щёлочи по высоте котла на стадиях объёмной и остаточной делигнификации .
На рис. 25 представлена схема варочного котла, работающего по технологии LO-SOLIDS, показаны точки ввода промывного фильтрата и белого щёлока, а также точки отбора чёрного щёлока по высоте котла. Варочная установка работает без отдельного пропиточного аппарата. В верхней части котла при прямотоке щепы и щёлока проводится пропитка щепы. Затем пропиточный щёлок отбирается из котла и замещается смесью предварительно нагретых промывного фильтрата и белого щёлока.
Эта зона называется зоной противоточного нагрева-замещения. В результате отбора пропиточного щёлока и замены его нагретой смесью промывного фильтрата и белого щёлока происходит значительное снижение концентрации растворённых веществ на стадии объёмной делигнификации , что приводит к увеличению её скорости и селективности .
После противоточной зоны нагрева-замещения следует зона прямоточной варки, по завершению которой производится отбор крепкого чёрного щёлока и корректировка концентрации активной щёлочи путём добавки смеси промывного фильтрата и белого щёлока . В нижней зоне аппарата осуществляется горячая диффузионная противоточная промывка , но благодаря введению в зону белого щёлока, она одновременно является зоной варки (так как в ней продолжается растворение лигнина).
Продлённое время варки (за счёт зоны диффузионной промывки) позволяет снизить температуру варки на 10-15 °C, что способствует повышению селективности делигнификации , а значит, увеличению выхода и прочности целлюлозы. На рис. 26 представлены данные заводских испытаний метода LO- SOLIDS. Видно, что по сравнению с варкой ЕМСС (продленная модифицированная сульфатная варка) обеспечивается более низкий уровень растворенных органических веществ в щелоках на стадиях объемной и остаточной делигнификации .
Схема варки LO-SOLIDS с двумя стадиями отбора щелока и подачи промывного фильтрата
Концентрационно -временные профили растворенных органических веществ для варок ЕМСС и LO-SOLIDS
Метод LO-SOLIDS успешно применяется при реконструкции установок непрерывного действия различного типа. В 1993 - 2010 гг. около 50 установок , расположенных в США и Канаде, были переведены на новый метод варки, причем были выявлены следующие преимущества: увеличение прочности целлюлозы на раздирание (на 10 -15 %); снижение числа Каппа целлюлозы на 3-5 единиц без увеличения расхода щелочи;
улучшение белимости целлюлозы и увеличение вязкости беленой целлюлозы; снижение расхода отбеливающих реагентов; улучшение отбора щелока и промывки массы в котле.
Отличительной особенностью технологии LO-SOLIDS является использование однососудного гидравлического варочного котла. Все варианты модифицированной варки Metso проводятся в двухсосудной установке с отдельным пропиточным аппаратом, поэтому при реконструкции старых установок необходимо их дооборудование, что дороже, чем применение технологии LO-SOLIDS. В 2004 - 2010 гг. на технологию LO-SOLIDS были переведены реконструированные установки на Сегежском ЦБК, Усть - Илимском и Сыктывкарском ЛПК.
Кроме усовершенствования самого варочного котла, большие изменения внесены в систему подачи щепы. Так, в закрытом бункере для щепы Diamondback проводится две ступени пропарки. Эффективность такой пропарки настолько велика, что позволяет отказаться от пропарочной камеры. Щепа после бункера Diamondback вместе со щёлоком подаётся в варочный котёл тремя низкоскоростными насосами, каждый из которых последова - тельно увеличивает давление на 0,3 МПа (рис. 27). Новая система загрузки варочного котла называется TurboFeed . Её применение позволяет отказаться от питателей низкого и высокого давления, пропарочной камеры, снизить капитальные затраты.
Технология LO-SOLIDS имеет несколько вариантов, предназначенных для переработки лиственных и хвойных пород древесины. Многие предприятия, перешедшие на варку LO-SOLIDS, работающие на древесине лиственных пород, отмечают снижение удельного расхода древесины от двух до десяти процентов в результате увеличения выхода целлюлозы.
Таким образом, сульфатный способ сохраняет свое доминирующее по- ложение и продолжает совершенствоваться в направлении улучшения качества продукции, сокращения выбросов, создания энерго - и ресурсосберегающих технологий производства целлюлоз различного назначения.
Рис. 27. Новая система подачи щепы TurboFeed
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Промывку целлюлозы можно считать первой стадией регенерации затраченных на варку химикатов. При промывке происходит отделение отработанного (чёрного) щелока от сваренной целлюлозы. В целлюлозной массе после сульфатной варки в 1 т воздушно-сухой целлюлозы содержится от 4 до 6 м 3 чёрного щелока.
Из этого количества около 75 % составляет свободный щелок, окружающий волокна. Довольно значительная часть щелока – 15-20 % находится во внутренних каналах и полостях клеток. Небольшая, но наиболее трудноудаляемая доля щелока - около 5 % содержится в порах клеточной стенки .
Основные задачи промывки целлюлозы: обеспечение максимально полного отделения чёрного щелока от сваренной целлюлозы, так как все не отмытые от целлюлозы вещества при последующих технологических операциях (сортирование, отбелка, обезвоживание) попадут в сточные воды, а не будут возвращены в производство;
отбираемый на регенерацию щелок должен быть в минимальной степени разбавлен, поскольку затем этот щелок будет упариваться и сжигаться; по экономическим и экологическим причинам промывка должна проводиться с минимальным расходом воды.
При всех существующих методах отделения щелока от целлюлозной массы в качестве основного технологического приёма используется промывка горячей водой . При этом часть щелока отделяется от волокна без разбавления (вытесняется из целлюлозной массы), другая же часть щелока всегда смешивается с водой за счет взаимной диффузии. При промывке происходят следующие физико-химические процессы и явления: механический отжим, фильтрация, диффузия, набухание, адсорбция, пенообразование
Механический отжим. Жидкость выдавливается из каналов и капилляров за счет приложенного внешнего давления, а щелок отделяется от массы без разбавления. Масса сжимается и происходит уменьшение сечения капилляров. При отжиме целлюлозная масса отдаёт жидкость до тех пор, пока увеличение внутреннего капиллярного давления за счёт спрессовывания массы и уменьшения диаметра капилляров не уравновесит внешнее давление.
Однако даже при внешнем давлении 15 МПа сухость массы повышается только до 70 %. Это означает, что одноступенчатый отжим не может обеспечить полную промывку.
Фильтрация. Это процесс разделения суспензии путём её пропускания через фильтрующую перегородку (сетку, ткань), задерживающую волокно и пропускающую жидкость. Скорость фильтрации можно вычислить по уравнению Пуазейля : 𝑞 = ∆𝑃 / Rl где 𝑞 – скорость фильтрации (количество жидкости, проходящее через единицу поверхности фильтра в единицу времени); ∆𝑃 - разность давлений по сторонам слоя; 𝑅 – коэффициент сопротивления фильтра; 𝑙 - толщина слоя.
Коэффициент сопротивления прямо пропорционален динамической вязкости жидкости и обратно пропорционален среднему диаметру капилляров и коэффициенту живого сечения фильтра. Целлюлозная масса под влиянием давления фильтрации спрессовывается . По этой причине уменьшается коэффициент живого сечения фильтра и средний диаметр каналов. В результате увеличивается коэффициент сопротивления фильтрации 𝑅.
Промывка целлюлозы на барабанных фильтрах осуществляется через тонкий слой массы, когда степень уплотнения по толщине слоя волокна примерно одинакова. При фильтрации через толстый слой масса сильно спрессовывается только у перегородки. По толщине слоя сопротивление фильтрации падает . Из-за спрессовывания слоя по мере увеличения ∆𝑃 скорость фильтрации растёт всё медленнее. При некоторой критической ∆𝑃 скорость фильтрации перестаёт увеличиваться. Это явление известно как состояние «мёртвой запрессовки».
Диффузия. При отжиме и фильтрации отбирается только часть свободного щёлока. Щёлок из полостей и пор можно отделить только за счёт диффузии. Но при этом всегда происходит смешение отбираемого щелока и промывной жидкости.
Так как скорость диффузии прямо пропорциональна площади поверхности и градиенту концентрации, то для ускорения извлечения щелока из волокна необходима быстрая смена промывной жидкости и соприкосновение с ней возможно большего числа волокон. Поэтому диффузия значительно ускоряется за счет перемешивания массы, так как при этом обновляется поверхность и увеличивается градиент концентрации.
Когда целлюлозу промывают методом вытеснения, то масса не перемешивается. Поэтому для надлежащей диффузии необходимо хорошее сепарирование массы и равномерное распределение жидкости по сечению аппарата. На диффузионные процессы большое влияние оказывает температурный фактор. При увеличении температуры на 10 о С коэффициент диффузии возрастает в 1,3 раза. Поэтому промывку рационально проводить при высокой температуре.
Набухание. При набухании стенки волокна становятся толще, а канал у́же , что затрудняет промывку. Набухание зависит от рН промывной жидкости. Так, при рН=11,5 целлюлоза промывается медленнее, чем при рН=9. Адсорбция. Адсорбционная способность целлюлозных волокон обусловлена пористой структурой, сильно развитой внутренней поверхностью, а также наличием центров адсорбции, которыми являются полярные гидроксильные группы.
Они создают отрицательный заряд и обладают обменной способностью по отношению к катионам натрия. Адсорбция щелочи зависит от степени делигнификации целлюлозы и составляет 0,6…2,5 кг Na 2 O на 1 т в.с.целлюлозы . Эта часть щелочи уходит вместе с промытой массой и представляет собой один из источников потерь в производстве сульфатной целлюлозы .
Пенообразование. Вспенивание щелоков причиняет большие затруднения при промывке целлюлозы. Причиной пенообразования является присутствие в черном щёлоке поверхностно-активных веществ (сульфатного мыла, некоторых продуктов разрушения углеводов). Пена черного щёлока трудно разрушается. Продолжительность ее саморазрушения около суток. Эффективным средством борьбы с пеной является введение в щёлок поверхностно-активных веществ (ПАВ), обладающих большей поверхностной активностью, чем мыла, но образующих менее стойкие пленки.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Для составления материального баланса щелоков и сухих веществ при промывке целлюлозы введем следующие обозначения: V o – объем черного щелока, поступающего вместе с целлюлозой на промывку, м 3 /т целлюлозы; V – объем щелока после промывки, м 3 /т; G o – количество растворенных веществ в щелоке, поступающем на промывку, кг/т;
G – количество растворенных веществ в щелоке после промывки, кг/т; W – расход воды на промывку, м 3 /т; М – количество жидкости, уходящей с промытой массой, м 3 /т; С о - концентрация растворенных веществ в щелоке, поступающем с массой на промывку; С – концентрация растворенных веществ в щелоке после промывки.
Для оценки результатов промывки используются следующие относительные коэффициенты: Относительная концентрация: f = С/С 0 Относительный объем : m = 𝑉 /𝑉𝑜
Степень отбора растворенных веществ или эффективность промывки : n = 𝐺 / 𝐺𝑜 или 𝐶· 𝑉 / 𝐶𝑜 ·𝑉 0 = f·m . Относительные потери растворенных веществ при промывке: ξ = 1-η .
Современные системы промывки целлюлозы замкнуты и не имеют сброса в канализацию, поэтому уравнение баланса жидкости при промывке имеет следующий вид: V o +W =V+M Объем черного щелока после промывки составит: V= V o +W-M Для материального баланса растворенных веществ справедливо аналогичное уравнение: G o =G+N, где N – потери растворенных веществ при промывке, кг/т.
Концентрация черного щелока после промывки : 𝐶 = 𝐺/ 𝑉 = 𝐺𝑜 − 𝑁 / 𝑉𝑜+𝑊−𝑀 Результаты промывки часто характеризуют фактором разбавления, под которым понимают разность между расходом промывной воды и объемом жидкости в промытой массе или разность между объемами черного щелока до и после промывки: F = V- V o = W-M.
Фактор разбавления показывает, какой объем воды разбавил черный щелок при промывке 1 т целлюлозы. Значения фактора разбавления в зависимости от типа промывного устройства от 1,5 м 3 /т до 3,5 м 3 /т. При расчетах промывных установок часто пользуются коэффициентом промывки, представляющем собой отношение объема промывной жидкости к объему жидкости в промытой массе: K пр = 𝑊 / 𝑀
Для характеристики промывки целлюлозы в диффузорах, вакуум- фильтрах и варочных котлах непрерывного действия с зоной диффузионной промывки, осуществляемой методом вытеснения, применяют коэффициент вытеснения K o [1]. При идеальном вытеснении промывная жидкость должна вытеснить исходный щелок из массы полностью, а концентрация оставшегося в массе щелока после промывки будет равна концентрации промывной жидкости. На практике концентрация остаточного щелока в массе несколько выше теоретической.
Поэтому остаточный щелок можно рассматривать как результат смешения соответствующего количества исходного щелока и определенного количества промывной жидкости. Коэффициент вытеснения выражается через концентрацию исходного и остаточного щелока и промывной жидкости: Кв = С0−Ск / С0 −Сж где С о – концентрация исходного щелока; C к – концентрация остаточного щелока; C ж – концентрация растворенных веществ в промывной жидкости; если промывка ведется чистой водой, то С ж =0.
При идеальном вытеснении К в =1. На практике коэффициент вытеснения всегда меньше 1. Значение К в показывает, какая часть щелока в уходящей массе вытеснена, т.е. заменена промывной жидкостью .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Промывка на барабанных фильтрах. Барабанный фильтр состоит из ванны, в которой вращается барабан. Цилиндрическая поверхность барабана выполнена из перфорированных стальных листов и обтянута снаружи фильтрующей сеткой. Ванна барабана заполнена целлюлозной массой концентрацией 1,0…1,5 %.
На поверхности барабана при его вращении путем фильтрации жидкости через поверхность барабана формируется слой массы. Движущей силой фильтрации является разность давлений под фильтрующей сеткой и внешней средой . Эта разность давлений может создаваться либо за счет вакуума внутри барабана (вакуум-фильтры), либо за счет давления над слоем массы (фильтры давления).
Промывка осуществляется по многоступенчатой схеме с использованием принципа противотока. Целлюлозная масса с концентрацией 3,5 % из нижней части выдувного резервуара подаётся на вибрационные сучколовители . Перед сучколовителями масса разбавляется крепким оборотным щелоком до 1 %. Отделённые сучки и непровар промываются горячей водой и направляются на переработку, например, на повторную варку в котлы.
После этого масса последовательно проходит три или четыре однозонных фильтра. На барабане фильтра образуется волокнистый слой (папка), который затем, попадая в зону спрысков, промывается промывной жидкостью. Сухость папки, сходящей с барабана, составляет 14…15 %. Горячая вода с температурой 70…80 о С подается только в спрыски последнего фильтра
На остальных фильтрах в качестве промывной жидкости используются промежуточные фильтраты. Отобранный на последнем фильтре слабый фильтрат используется для разбавления массы до 1 % перед поступлением на тот же фильтр и на спрыски предпоследнего фильтра и т.д. до первого фильтра . Крепкий щелок, отобранный на первом фильтре, идет на разбавление массы в выдувном резервуаре, а также поступает на варку и регенерацию. Система не имеет сбросов в канализацию и является замкнутой .
Схема промывки целлюлозы на барабанных фильтрах
При промывке на барабанных фильтрах время пребывания массы на барабане небольшое (5…10 с), что недостаточно для диффузии. Поэтому извлечение из щелока целлюлозного волокна путем диффузии происходит в промежуточных мешалках между фильтрами при разбавлении массы с 14…15 % до 1…1,5 %. Чем больше в целлюлозе содержится лигнина, тем труднее происходит диффузия. Поэтому промывка жёсткой целлюлозы требует больше ступеней, чем промывка белимой целлюлозы.
Достоинством барабанных фильтров является простота их эксплуатации, надежность результатов – эффективность многоступенчатой промывки составляет 0,97…0,99 при относительной концентрации 0,65…0,8 и факторе разбавления 2…4 м 3 /т. Однако барабанные фильтры довольно громоздки и зачастую нестабильно работают из-за вспенивания щелока. Площадь фильтрующей поверхности барабанных фильтров от 20 до 80 м 2 . Съем массы с единицы поверхности фильтра при промывке целлюлозы нормального выхода составляет 7…8 т с м 2 в сутки, а расход промывной воды 8…10 м 3 /т.
Тема Промывка массы в диффузорах непрерывного действия. Промывка целлюлозы в диффузорах, работающих либо при повышенном, либо при атмосферном давлении осуществляется в закрытой системе, поэтому нет выбросов дурнопахнущих газов в атмосферу и исключается пенообразование. Промывка идет при концентрации массы 10…12 %, причем в процессе промывки концентрация не меняется, продолжительность вытеснения в несколько десятков раз превышает продолжительность вытеснения для фильтров
Промывка в диффузорах давления происходит при температуре более 100 о С, что благоприятно сказывается на эффективности промывки. Диффузоры занимают мало места. Обычно их располагают над бассейнами высокой концентрации для хранения массы. Диффузор непрерывного действия, работающий под давлением, представлен на рис. 3
Рис.2. Секция диффузора непрерывного действия, работающего под давлением
Диффузор непрерывного действия, работающий под давлением
Основные части диффузора – корпус и концентрично расположенные внутри его цилиндрические сита. Масса поступает в диффузор снизу с концентрацией 10…12 % и медленно движется вверх в кольцевые пространства между ситами. В зону промывки массы через сопла поступает промывная жидкость. Из нижнего положения сита с небольшой скоростью 80…100 мм/мин поднимаются вверх на высоту 100...150 мм
Вместе с ситами с такой же скоростью поднимается масса. В верхнем положении сита встряхиваются с помощью специального механизма и резко опускаются вниз в исходное положение. За счет трения о слой массы происходит самоочистка сит. Промытая масса в верхней части диффузора скребками удаляется в бассейн промытой массы. Эффективность промывки в диффузоре такая же как на барабанных фильтрах, но фактор разбавления более низкий (до 2 м 3 /т целлюлозы).
Промывка целлюлозы в промывных прессах. Схема промывного пресса представлена на рис. 4. Он состоит из двух перфорированных барабанов, вращающихся навстречу друг другу
Рис. 4. Схема двухбарабанного промывного пресса TwiRoll
На рис. 5 представлена схема промывки прессом CompactPress . Целлюлозная масса поступает на промывной пресс с концентрацией 5-7 % на распределительные шнеки, с помощью которых целлюлоза равномерно расходится по барабанам. Через промывные спрыски, находящиеся в низу пресса, подаётся промывной фильтрат с последующей ступени промывки с помощью дополнительного насоса фильтрата
. Пресс оснащен трубопроводами спрысков для промывки поверхности барабанов. Для этой цели используется вытесненный фильтрат с последующей ступени промывки. Также осуществляется подача фильтрата в распределительные шнеки.
Целлюлозную массу с барабанов снимают шабера в выгружной шнек. Концентрация массы составляет 30-35 %. В конце выгружного шнека осуществляется разбавление массы фильтратом с последующей ступени промывки. Далее разбавленная масса с концентрацией 5-7 % поступает в приёмную насоса средней концентрации, в которой поддерживается постоянный уровень. Насос средней концентрации оснащен вакуум-насосом для удаления пузырьков воздуха из массы и перехода в « псевдожижженное » состояние. После разбавления масса поступает на следующую ступень промывки
Рис. 5. Схема промывки при помощи пресса CompactPress
Промывка с использованием двух-четырех промывных прессов позволяет достигать высокой эффективности - более 0,99, при низком расходе воды (4 м 3 /т) и низком факторе разбавления (2,0 м 3 /т), а съем массы с единицы поверхности для промывных прессов в 4-10 раз выше, чем для барабанных фильтров. В целом, по сравнению с барабанными фильтрами, использование промывных прессов дает большие преимущества, однако стоимость их выше.
Промывка целлюлозы начинается в варочном цехе – современные варочные установки непрерывного и периодического действия позволяют проводить 1-2 ступени промывки непосредственно в варочном котле. Таким образом потребность в промывном оборудовании после варки (диффузоры, барабанные фильтры, промывные прессы) сокращается до 1-2 ступеней промывки.
Однако, учитывая огромное значение промывки, предприятия стремятся минимизировать потери сухих веществ, поэтому увеличивают число ступеней промывки до 3-4, обеспечивая таким образом эффективность промывки более 0,99
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Черный щелок, поступающий на выпарку, представляет собой водный раствор органических и минеральных веществ. Концентрация растворенных веществ обычно составляет 15-20 %. Состав растворенных веществ зависит от породы древесины и степени провара целлюлозы. Количественное соотношение отдельных его компонентов представлено на рис. 6.
Рис. 6. Химический состав сухих веществ черного щелока
Задача выпарки состоит в концентрировании щелока до уровня, при котором возможно его сжигание (60 % сухого вещества и более). Из физических свойств черного щелока для процесса выпарки наиболее важны плотность, вязкость, температура кипения, теплоёмкость и поверхностное натяжение [3].
Плотность щелока (масса единицы объема) зависит от концентрации и вычисляется по следующей формуле: γ=1+0,473 𝑃 / 1000 где γ – плотность черного щелока, г/см 3 , P - концентрация сухого остатка в щелоке, г/см 3 . Плотность черного щелока уменьшается при повышении температуры из-за объемного расширения воды. На предприятиях пользуются специальными таблицами, которые отражают изменение плотности щелоков в зависимости от концентрации и температуры.
Вязкость щелока является характеристикой сил внутреннего трения, влияет на движение щелока по трубопроводам и теплопередачу. Вязкость зависит от концентрации щелока, состава и температуры . С увеличением концентрации свыше 40 % вязкость щелока резко возрастает, поскольку в растворе возникает структурная вязкость.
При хранении высококонцентрированного щелока (70…85 %) без перемешивания в нем образуется пространственная структура, увеличивающая вязкость. Разрушить эту структуру можно при интенсивном перемешивании со скоростью сдвига около 4000 с -1 , тогда вязкость щелока снижается примерно в 1000 раз. На практике такие значения скорости сдвига не достигаются ни при перекачке щелока, ни при перемешивании его в баках.
Основной вклад в величину вязкости вносит высокомолекулярный лигнин. Поэтому, уменьшив молекулярную массу растворенного лигнина (это достигается при термообработке щелока, описанной в главе «Техника выпарки щелоков»), можно снизить вязкость щелока. Щелок от варок лиственных пород древесины должен иметь более низкую вязкость, чем щелок от варок хвойной древесины.
Существенное влияние на вязкость щелока имеют следующие факторы: режим варки, порода древесины, степень провара целлюлозы. Теплоёмкость щелока снижается при увеличении концентрации и всегда ниже теплоемкости воды. Температура кипения щелока выше, чем температура кипения воды при том же давлении за счет концентрационной депрессии. Повышение температуры кипения зависит от концентрации щелока и не зависит от давления.
Поверхностное натяжение щелока ниже поверхностного натяжения воды из-за присутствия поверхностно-активных веществ, главным образом сульфатного мыла. Подготовку щелока к выпарке проводят с целью снижения производственных затруднений (отложение осадков, пенообразование, коррозия оборудования, выделение дурнопахнущих веществ).
Мелкое волокно вызывает образование отложений на поверхностях испарения, из-за этого падает коэффициент теплопередачи. При отделении мелкого волокна от щелока, направляемого на выпарку, его концентрация снижается с 60-100 мг/л до 10-15 г/л. Для улавливания мелкого волокна используют барабанные фильтры, фильтры с волокнистым подслоем из длинного волокна.
Мыло необходимо отделять от щелока для уменьшения пенообразования. Удаление мыла осуществляется путем отстаивания в больших баках, которые одновременно служат запасными резервуарами. Сульфатное мыло – это смесь натриевых солей смоляных и жирных кислот. Плотность мыла значительно ниже плотности черного щелока, поступающего на выпарку (обычно 1,08….1,1 при концентрации 15-20 %).
Поэтому мыло легко всплывает на поверхность. Под действием имеющихся в щелоке электролитов происходит коагуляция ( отсолка ) частиц мыла. В результате коллоидный раствор мыла превращается в эмульсию, способную расслаиваться. Лучшему отделению мыла способствует повышение концентрации щелока.
Поэтому щелок, поступающий из варочного цеха, укрепляют до концентрации 20…24 % за счет добавления сгущенного щелока. Объем баков перед выпаркой рассчитывают, исходя из времени пребывания щелока 16-20 часов. Для счерпывания мыла с поверхности щелока баки снабжаются веслами с механическим приводом. Полнота выделения мыла от 50 до 85 %.
Окисление черного щелока перед выпаркой проводят с целью перевода свободного сульфида в тиосульфат, который так же как и сульфид может подвергаться гидролизу, но без выделения сероводорода. Окисление черного щелока использовалось многими предприятиями, однако в настоящее время почти все ЦБК России от него отказались, так как у окисленного черного щелока снижается теплотворная способность и увеличивается склонность к образованию накипей
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Для выпарки черного щелока применяют многокорпусные вакуум- выпарные установки, выпаривание в которых происходит путем передачи тепла от греющего пара к щелоку через стенку кипятильной трубы. Коэффициент теплопередачи К, кДж/м 2 ·ч· о С определяется по формуле : К = 1 , 1 + 𝛿1 + 𝛿2 + 1 𝛼1 𝜆 1 𝜆2 𝛼2 где α 1 – коэффициент теплоотдачи от пара к стенке, кДж/м 2 ·ч· о С ; δ 1 – толщина стенки трубы, м; λ 1 – коэффициент теплопроводности стенки трубы, кДж/м 2 ·ч· о С; δ 2 – толщина слоя накипи со стороны щелока, м; λ 2 – коэффициент теплопроводности накипи, кДж/м 2 ·ч· о С; α 2 – коэффициент теплоотдачи от стенки щелоку, кДж/м 2 ·ч· о С .
На величину коэффициента теплопередачи влияют многие факторы. Наиболее значимыми из них являются следующие: вязкость щелока и скорость его движения относительно греющей поверхности, влияющие на коэффициент теплоотдачи от стенки к щелоку; небольшие примеси воздуха и других неконденсирующихся газов, способные в несколько раз снизить коэффициент теплоотдачи от пара к стенке и понизить коэффициент теплопередачи.
Повышение вязкости щелока приводит к значительному снижению коэффициента теплоотдачи от стенок труб к щелоку. Как известно, вязкость щелока резко увеличивается при повышении его концентрации более 30…40 %. Вязкость щелока можно понизить за счет увеличения температуры. Поэтому на величину коэффициентов теплопередачи влияет система питания выпарной станции щелоком и паром.
На рис. 7 представлены схемы питания выпарных корпусов. При прямоточной системе (рис. 7, а ) щелок и пар двигаются от первого к последнему корпусу в одном направлении. Давление и температура при этом снижаются. Поэтому щелок перетекает из аппарата в аппарат самотеком и не подогревается между аппаратами. Такая схема работы корпусов проста .
Однако с понижением давления от корпуса к корпусу падают температуры пара и щелока при одновременном росте его концентрации. Поэтому в последних корпусах вязкость щелока резко возрастает и ухудшаются условия теплопередачи . Это снижает производительность последних корпусов и установки в целом. В настоящее время прямоточные схемы можно встретить только на старых предприятиях .
Схемы питания выпарных корпусов : а - прямоточная (1-2-3-4); б – противоточная (4-3-2-1); в – смешанная (3-4-2-1); сплошные линии – щелок, пунктирные - пар
В противоточной выпарной установке (рис. 7, б ) греющий пар и щелок двигаются в противоположных направлениях. По мере сгущения щелока повышается его температура, поэтому вязкость остается в пределах, обеспечивающих достаточно высокие значения коэффициентов теплопередачи
Производительность противоточных установок выше по сравнению с другими схемами. К недостаткам противоточных схем относятся необходимость установки дополнительных насосов и подогревателей щелока между корпусами . Противоточные схемы упаривания щелоков распространены в Северной Америке и Канаде.
Смешанные схемы питания (рис. 7, в ) часто используются на европейских и российских предприятиях. Щелок с невысокой концентрацией (до 35…40 %) выпаривается в последних корпусах при низкой температуре по прямоточной схеме, а более концентрированный щелок – в первых корпусах при высокой температуре и противоточном движении относительно греющего пара.
Смешанные схемы дают возможность сочетать преимущества прямотока (отсутствие насосов в первых корпусах по ходу щелока), а в последних корпусах обеспечить относительно высокие значения коэффициентов теплопередачи, характерные для противоточных схем .
На коэффициент теплоотдачи со стороны щелока влияет скорость его движения в трубах выпарного аппарата (коэффициент теплоотдачи пропорционален скорости щелока в степени 0,8). Относительно большая скорость щелока в аппаратах пленочного типа (1…2 м/с) и в аппаратах с принудительной циркуляцией (2…4 м/с), обеспечивает высокие значения коэффициентов теплопередачи в этих аппаратах.
В последних корпусах по ходу щелока, а также в суперконцентраторах – отдельных корпусах, добавляемых к выпарной станции при выпарке щелока до высоких (60…75 %) и сверхвысоких концентраций (75…85 %), используется принудительная циркуляция щелока.
Осадки и накипи на кипятильных поверхностях выпарных аппаратов значительно снижают коэффициент теплопередачи. Осадки образуются и со стороны щелока (минеральные соли и органические вещества) и со стороны пара. Осадок толщиной всего 1 мм снижает коэффициент теплопередачи в 2 раза.
Основной принцип выпарки – многократное использование пара. Поэтому выпаривание в современных выпарных станциях является многоступенчатым процессом. Свежий пар низкого давления (Р=0,3-0,4 МПа, t=130-140 о С) поступает только в первые по ходу пара аппараты. В остальных корпусах выпаривание осуществляется вторичным (соковым ) паром из предыдущего корпуса. Выпарные станции имеют 6-7 ступеней, но только до 9 корпусов, так как в некоторых ступенях может быть 2-3 корпуса.
Количество тепла, передаваемое при выпарке щелоку паром, рассчитывают по следующей формуле: Q=K·F (t 1 -t 2 ), где Q – количество тепла, передаваемое паром щелоку, кДж/ч; F – поверхность нагрева выпарного аппарата, м 2 ; К – коэффициент теплопередачи, кДж/м 2 ·ч· о С; t 1 – температура пара, о С ; t 2 - температура щелока, о С .
Количество воды, W, кг, которое должно быть удалено при выпарке щелока, может быть определено по формуле: W=G·(1 - 𝐶 нач ), 𝐶 кон где G – количество щелока, поступающего на выпарку, кг/т; C нач , С кон – концентрации поступающего (начального) и выходящего (конечного) с выпарки щелока, % с.в .
Очевидно, что при заданной концентрации конечного щелока количество испаряемой воды тем больше, чем ниже начальная концентрация щелока. Поэтому важно, чтобы при промывке целлюлозы происходило минимальное разбавление щелока. Поверхность выпарной станции и каждого корпуса рассчитывается по формуле: F = 𝑊/ 𝑞 , где F – поверхность выпарной станции (корпуса, м 2 ); W – количество испаряемой при выпарке воды, кг; q – паропроизводительность 1м 2 поверхности выпарной станции (удельный съем воды), кг/м 2 ·ч.
Паропроизводительность 1 м 2 поверхности выпарной станции зависит от типа станции и составляет 11-22 кг/м 2 ·ч . Экономичностью выпарки называют количество воды (кг), которое можно выпарить из щелока за счет 1 кг свежего пара: Э = 𝑊 , 𝐷 св где W – количество испаряемой воды, кг; D св – расход свежего пара, кг. Теоретически экономичность выпарки равняется количеству ступеней выпарки. Однако, вследствие тепловых потерь, экономичность выпарки всегда несколько меньше.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
При выпаривании черного щелока на современной выпарной станции пар используется многократно . Для передачи тепла от греющего пара к щелоку необходимо обеспечить на каждой ступени определенную разность температур, между греющим паром и щелоком. Эту разность температур называют полезной .
Выделяющийся из кипящего щелока вторичный (соковый) пар из-за концентрационной депрессии всегда имеет более низкую температуру, чем греющий пар в том же корпусе. Вторичный пар идёт на обогрев следующего корпуса. Поэтому в каждом последующем корпусе температура греющего пара, кипящего щелока и сокового пара будет меньше, чем в предыдущем.
Следовательно, в многокорпусной батарее температуры греющего пара по корпусам непрерывно падают. Для того, чтобы вызвать это снижение температур по корпусам, создают разность давлений. Греющий пар первой ступени – это обычно отборный пар от паровых турбин давлением 0,25…0,40 МПа и температурой 125…140 о С .
В щелоковом пространстве последнего корпуса создают вакуум 8,0…8,5 кПа. Тогда общая разность температур (между греющим паром первого корпуса и вторичным паром последнего корпуса) составит 80…90 о С . Общая разность температур не полностью используется для передачи тепла, так как имеются тепловые потери из-за концентрационной депрессии, гидростатического давления и сопротивления в трубопроводах.
Полезная разность температур – это разность между общей разностью температур и суммой температурных потерь . Δtпол = Δtобщ-ΣΔtпотерь . Полезная разность температур в выпарной батарее составляет 50-75 о С. На большинстве современных предприятий используются выпарные аппараты пленочного типа. Более современными считаются выпарные аппараты с падающей плёнкой, которые имеют некоторые преимущества перед аппаратами с восходящей пленкой:
аппараты с падающей пленкой эффективней используют тепло – коэффициент теплопередачи у них более высокий; производительность аппаратов с падающей пленкой легко меняется в зависимости от потребностей производства; в суперконцентраторах , работающих на принципе падающей пленки, достигаются концентрации упаренного щелока до 85 %, чего нельзя добиться в аппаратах с восходящей пленкой.
Общий коэффициент теплопередачи в аппаратах с падающей пленкой выше из-за меньшего слоя накипи на наружных поверхностях труб, который легко смывается. В недавнее время (25-30 лет назад) для выпаривания щелоков, а также в качестве суперконцентраторов стали применяться ламельные аппараты, в которых поверхность нагрева образована не кипятильными трубками, а плоскими нагревательными элементами (рис. 8).
Рис. 8. Выпарной аппарат ламельной конструкции: 1 – вход щелока; 2 – выход щелока; 3 – вход пара; 4 – выход сокового пара; 5 – отбор конденсата; 6 – дренаж; 7 – распределительное устройство для черного щелока; 8 – пакет ламельных элементов; 9 – циркуляционный насос
Поверхность теплообмена аппарата состоит из профилированных двухлистовых ламелей (пластин), площадью 17,5 или 27 м 2 . Греющий пар проходит внутри ламелей. Щелок циркуляционным насосом подается на распределительное устройство в верхнюю часть, тонкой пленкой свободно стекает и кипит на наружной поверхности. Между ламелями одинаковый зазор – 20 мм, поэтому скорость пара равномерная. Соковый пар уходит в паровое пространство и почти не увлекает капель щелока. Всё же в верхней части аппарата имеется каплеотделитель .
Выпарные станции с ламельными аппаратами обычно имеют 5…7 ступеней . Однако от современных выпарных установок требуется на только эффективное сгущение щелока до высоких концентраций 70…85 % сухих веществ, но и удаление из конденсатов загрязняющих примесей (метанола, сернистых соединений), что позволит использовать очищенный конденсат в производстве
Поэтому большое распространение на предприятиях получили ламельные выпарные аппараты с разделением конденсатов (рис 9). Процесс выпарки организован таким образом, что в некоторых выпарных аппаратах пар внутрь ламелей подают не сверху, а снизу. Тогда конденсат, стекающий вниз, встречается с паром, который идет вверх.
Происходит отгонка легколетучих фракций (метанола и сернистых соединений) из грязного конденсата вторичного пара. В верхней зоне ламелей предусмотрен дополнительный конденсатор . В нем конденсируется до 15 % пара, содержащего 80 % летучих загрязнений. Эти загрязнения включают в основном метанол (около 10 кг/т в.с . целлюлозы), сернистые соединения (сероводород, меркаптаны) и скипидар
Выпарной аппарат с разделением конденсатов 1 – вход пара; 2 – выход пара; 3 – выход газов; 4 – загрязненный конденсат – 10 % от общего расхода, БПК – 80%; 5 – очищенный конденсат – 90 % общего расхода, БПК – 10 %
Очищенный конденсат можно использовать, например, в системе каустизации . Обогащенный метанолом конденсат имеет меньший объем, чем конденсат, полученный при выпаривании без разделений конденсатов. Поэтому сокращается общее количество загрязненных конденсатов, требующих очистки в отдельной отгонной колонне.
Тема Отгонка внутри выпарной станции увеличивает расход пара всего на 2…3 %, поскольку для нее используется вторичный пар. Концентрат метанола можно сжигать в известерегенерационной печи, сокращая расход мазута . Обогащенный метанолом конденсат имеет объем меньше, чем при обычной схеме выпарки и требует меньшей по производительности отгонной и укрепляющей колонны
Выпаривание щелока до высокой концентрации 75…85 % остается основной тенденцией развития выпарных установок на протяжении последних десятилетий. При сжигании щелока концентрации 75…85 % прекращаются выбросы сероводорода с дымовыми газами содорегенерационного котлоагрегата (СРК), сокращаются выбросы SO 2 (до 0 мг/нм 3 ), повышается на 8 % теплотворная способность щелока, увеличивается до 96…99 % степень восстановления сульфата, упрощается управление процессом сжигания щелоков .
Среди суперконцентраторов , работающих на российских и зарубежных предприятиях, наибольшей популярностью пользуются ламельные аппараты, разработанные фирмой Andritz . Все они являются аппаратами с падающей пленкой, и принцип их работы аналогичен принципу работы ламельных выпарных аппаратов. Однако имеются и отличия. Суперконцентратор разделен на три блока А, В и С.
Каждый из этих блоков имеет свой циркуляционных насос, и щелок подается в разные блоки по очереди в следующей последовательности: А-В-С; С-А-В; В-С-А и т.д. То есть самый слабый щелок подается в блок, который до этого обрабатывал самый крепкий щелок. Переключение осуществляется через 4…8 часов . Такая система подачи поддерживает блоки в чистоте.
Поэтому в большинстве случаев дополнительная промывка блоков от отложений не требуется. Ламельная конструкция аппарата уменьшает отложение накипи, которая при промывке аппаратов легко вымывается водой или слабым щелоком из зазоров между ламелями . Выпарные станции с такими суперконцентраторами сгущают черный щелок до 70…85 % (рис. 10 ).
Рис. 10. Схема выпарной станции с ламельным суперконцентратором : 1 – выпарные аппараты; 2 – трехсекционный пластинчатый концентратор с падающей плёнкой; 3 – испаритель сгущенного щелока; 4 - конденсаторы
Основная трудность выпаривания в области высоких концентраций щелока (75…90 %) заключается в его аномально высокой вязкости . При этом теплопередача быстро ухудшается, затрудняется работа насосов, увеличивается опасность образования отложений.
Для снижения вязкости щелока используется термообработка щелока. В первоначальном варианте упаренный черный щелок концентрацией около 65 % выдерживался в многоступенчатом реакторе под избыточным давлением при температуре 170 о С в течение 4 часов, а затем подавался в суперконцентратор .
Под действием высокой температуры уменьшалась молекулярная масса лигнина, разрушались оставшиеся после варки лигноуглеводные связи. Благодаря этому снижалась вязкость щелока и 80 %- ный черный щелок по вязкости становился таким же как 70 %- ный щелок без термообработки. Недостатком этой технологии была большая длительность термообработки.
Как уже отмечалось выше, при концентрировании щелока до уровня сухого вещества 70…75 % термообработка не проводится. В этом случае выпарная станция содержит ламельные выпарные аппараты и суперконцентраторы (их может быть 1-2). При выпаривании до концентрации 85-90% термообработка необходима. Она проводится в отдельном реакторе, куда подается концентрированный черный щелок (75…80 %).
Температура в реакторе составляет 190-195 о С, поэтому время термообработки небольшое (20…25 минут). После термообработки щелок подается в выпарной аппарат «Ультра», температура в котором составляет 175-180 о С.
Выходящий из выпарного аппарата щелок охлаждается на 5-10 о С и далее направляется на сжигание. Если надо получить упаренный щелок с концентрацией 85 %, то реактор не требуется, а термообработка проводится внутри последнего выпарного аппарата ( суперконцентратора ) путем повышения температуры выпаривания до 180-185 о С.
Для этого необходима подача пара с давлением около 1,5 МПа, чтобы обеспечить достаточно высокую разность температур между паром и щелоком. Вторичный пар после суперконцентратора используется на выпарной станции в качестве греющего.
Таким образом, современные выпарные установки могут сгущать черный щелок до 85 % и более без образования отложений и потребности в непрерывной промывке или кипячении. Кроме того можно получать чистый конденсат, который пригоден для повторного использования в производстве .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Тема 36 Упаренный черный щелок сжигают в топке содорегенерационного агрегата (СРК). Перед сжиганием к щелоку для восполнения потерь щелочи и серы добавляют Na 2 SO 4 . Основные задачи сжигания: регенерация минеральной части щелока; восполнение потерь химикатов путем добавки сульфата; восстановление Na 2 SO 4 до Na 2 S; получение пара за счет тепла сгорания щелока.
В сухом остатке черного щелока содержится 65…70 % органических и 30…35 % минеральных веществ. С увеличением степени провара это соотношение сдвигается в сторону минерального остатка.
Рассчитать количество минеральных и органических веществ в щелоке после варки (на 1 т в.с . целлюлозы) можно по следующим формулам: Gmin = х1,5 , кг/т, где B – выход целлюлозы, % к а.с . древесине; а – расход активной щелочи на варку, % Na 2 O к а.с . древесине; 1,5 – коэффициент перехода от единиц Na 2 O к собственным единицам. G орг = 880∙ , кг/т
Общее количество сухих веществ : Gсв = Gорг+Gmin = 880/ В (100 − 𝐵 + 1,5𝑎 ) Сухие вещества щелока теряются при варке, промывке и выпарке. Поэтому на сжигание поступит меньшее их количество. Потери сухих веществ можно принять около 10%.
Для процесса горения важно знать элементарный состав органической части щелока. Можно считать, что содержание углерода в сухом остатке щелока составляет 40-45 %, водорода – 3-5 %, органической серы – 2-4 %, кислорода – 15-20 %.
Теория сжигания щелоков Сжигание щелока можно условно разделить на три последовательные стадии сушка щелока; пиролиз и коксование; выжигание кокса, плавление золы, восстановление Na 2 SO 4 .
Первая стадия начинается с поступления щелока в топку СРК. Под действием высокой температуры (около 1000 о С) происходит мгновенное испарение влаги. Щелок превращается в огарок аморфной структуры. CO 2 дымовых газов взаимодействует с натриевыми соединениями минеральной части. Главной реакцией первой стадии является карбонизация натриевых соединений, а основным продуктом реакции - сода (Na 2 CO 3 ).
Некоторая часть соединений натрия превращается в сульфат : 2NaOH+CO 2 →Na 2 CO 3 +H 2 O Na 2 S+CO 2 +H 2 O→Na 2 CO 3 +H 2 S↑ 2H 2 S+3O 2 →2SO 2 +2H 2 O 4NaOH+2SO 2 +O 2 →2Na 2 SO 4 +2H 2 O.
Рис. 11. Схема процессов, происходящих при сжигании сульфатного щелока
На второй стадии огарок накапливается в нижней части топки и образует «подушку» (слой высотой 2-4 м), на которую воздействует тепло, выделяющееся в третьей стадии. Происходит разложение органической части при недостатке кислорода. Такой процесс называют пиролизом или сухой перегонкой. Продуктами пиролиза являются летучие и горючие продукты: метан, метанол, ацетон, сероводород, меркаптан и др.
Тема 37 На образование этих продуктов идёт 50 % углерода и 50 % органической серы, находящихся в щелоке перед сжиганием. Для сгорания летучих веществ в топку СРК подают вторичный воздух. В этот момент карбонизируется натрий, связанный с лигнином и другими компонентами древесины. При пиролизе все углеродсодержащие соединения превращаются в кокс. К началу третьей стадии процесса в виде кокса остается примерно половина углерода, содержащегося в исходном щелоке .
В третьей стадии главные реакции: выжигание кокса: C+O 2 →CO 2 +Q, восстановление сульфата: Na 2 SO 4 +2C→Na 2 S+2CO 2 ↑.
Эти реакции сопровождаются плавлением минеральных солей – минеральная часть щелока превращается в плав, содержащий Na 2 CO 3 , Na 2 S и некоторые минеральные примеси. За счет примеси солей в плаве устанавливается эвтектическая точка плавления – около 800 о С.
Расход воздуха, необходимый для сгорания кокса, можно определить по формуле: Lтеор =4,31 ( 32/12*С + 16/2 * 𝐻 + 𝑆 − 𝑂 ),кг воздуха/кг сухого остатка, где C, H, S и O – содержание углерода, водорода, серы и кислорода в сухом остатке в %/100.
В СРК есть две зоны подачи воздуха: в зону горения кокса подается первичный воздух; в верхнюю зону - вторичный воздух, необходимый для сжигания продуктов пиролиза.
При теоретическом расходе воздуха добиться полного сгорания газообразных продуктов невозможно. Поэтому используют некоторый избыток воздуха : α = 𝐿 практ / 𝐿 теорет = 1,1 ÷ 1,25 , где α – коэффициент избытка воздуха; L практ – практический расход воздуха; L теорет – теоретический расход воздуха.
Основная реакция третьей стадии – восстановление сульфата – является эндотермической, т.е. идет с поглощением тепла. Восстановление . 1 кг сульфата требует затраты 7140 кДж тепловой энергии. На восстановление сульфата оказывают влияние следующие факторы: Температура. При 800 о С реакция идет 3 мин, при 1100 - 4 секунды. Оптимальная температура 1127 о С.
Соотношение C:Na 2 SO 4 должно быть не менее 3÷3,5:1. В зону реакции требуется постоянный подвод тепловой энергии для восстановления сульфата и плавления солей. Единственным источником тепла является реакция горения углерода. Необходим тесный контакт между углеродом и сульфатом, что достигается при хорошем перемешивании упаренного щелока, сульфата и уловленной золы в смесителе перед подачей в СРК.
Величина избытка воздуха должна быть такой, чтобы в третьей стадии была восстановительная среда, т.е. некоторый недостаток воздуха. Поэтому расход первичного воздуха составляет 60-65 % от общего расхода, а вторичного 35-40 %. При большом избытке воздуха идёт реакция, которая приводит к потере серы с SO 2 : 2Na 2 S+3O 2 +2CO 2 →2Na 2 CO 3 +2SO 2 ↑.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Теплотворная способность топлива рассчитывается по формуле Д.И.Менделеева : Q c.о . = 4,19[8100С+24600H-2600(O-S)], кДж/кг, где Q с.о . – теплотворная способность сухого остатка; С,H,O и S – содержание элементов, %/100 .
Теплотворная способность сухого остатка находится в диапазоне 12,6…15,3 МДж/кг и во многом зависит от зольности. Поэтому щелок от варки мягкой целлюлозы (в сухом веществе которого больше минеральных веществ) имеет пониженную теплотворную способность. Теплотворная способность упаренного щелока зависит от влажности: Qуп . щ. = Qс.о .(1-W/100), где W – влажность упаренного щелока.
Обычно теплотворная способность упаренного щелока составляет 5000-7000 кДж /кг. Если она ниже 6400 кДж/кг, то приходится использовать дополнительное топливо (мазут, газ). Для того чтобы судить об использовании выделяющегося при сгорании щелока тепла составляют тепловой баланс СРК (табл. 1):
Тепловой баланс СРК Приход тепла Расход тепла Q – тепло горения сухого вещества щелока Q 1 – тепло испарения воды Q 2 – тепло эндотермических реакций Q 3 – тепло плавления минеральных солей Q 4 – физическое тепло плава Q 5 – неполнота сгорания (уголь в плаве, CO и H 2 в газах) Q 6 – потери тепла с газами в трубу Q 7 – потери тепла с теплоотдачей Q 8 – тепло на получение пара в котле
Работу СРК можно характеризовать теплотехническим или котельным КПД, который показывает, какая часть тепла пошла на выработку пара: Η кот = 𝑄 8/𝑄 · 100 . Технологический КПД показывает, какая часть выделившегося тепла используется полезно : ηтех =𝑄 1+𝑄2+𝑄3+𝑄4+𝑄8 · 100. 𝑄
Котельный КПД обычно составляет 68…72 %, технологический 89…91 %. На величину теплотехнического КПД влияют затраты тепла на испарение воды из щелока Q 1 и потери тепла с дымовыми газами. Величина потерь тепла с дымовыми газами зависит от их температуры и от коэффициента избытка воздуха: чем больше избыток воздуха, тем больше количество газов, следовательно, тем больше тепла, которое с ними теряется. Количество пара, полученного при сжигании, зависит от степени провара целлюлозы
В среднем оно составляет при производстве: целлюлозы высокого выхода – 3,8 т/т; жесткой целлюлозы – 4,8 т/т; мягкой целлюлозы – 5,4 т/т.
Высокая температура отходящих дымовых газов позволяет получать с паровых котлов-утилизаторов пар повышенного давления 4-6 МПа и даже до 10 МПа (в современных СРК) с температурой перегрева 440-500 о С . Такие высокие параметры пара дают возможность пропускать его через турбину с противодавлением, получая дополнительное количество электроэнергии.
Если считать, что удельный расход пара для производства 1 кВт·ч составляет 15 кг, то при выработке целлюлозы высокого выхода может быть получено около 250 кВт·ч электроэнергии на 1 т в.с . целлюлозы, а при выработке жесткой и мягкой целлюлозы - 320 и 360 кВт·ч /т соответственно, что покрывает 75-80 % потребности целлюлозного завода.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
СРК является паровым котлом, в топке которого сжигается упаренный щелок. Существует два типа СРК : с испарителем (американского типа) без испарителей (шведского типа). Испарители бывают газоконтактными и воздухоконтактными . В газоконтактных испарителях щелок доупаривается перед СРК за счет прямого контакта с горячими дымовыми газами . Недостатком является выделение из черного щелока дурнопахнущих газов по реакции: Na 2 S+CO 2 +H 2 O→Na 2 CO 3 +H 2 S↑
Схема содорегенерационного агрегата с воздухоконтактным испарителем: 1 – воздухоподогреватель; 2 – топка; 3 – подвод вторичного воздуха; 4 – подвод первичного воздуха; 5 – вентилятор; 6 – воздухоконтактный каскадный испаритель; 7 – подвод свежего воздуха; 8 – отвод газов к электрофильтру СРК с воздухоконтактным испарителем свободен от этого недостатка (рис. 12).
Воздух перед подачей в топку нагревается дымовыми газами СРК в воздухонагревателе до температуры 250-300 о С. Затем нагретый воздух пропускается через каскадный испаритель, где его тепло используется для упаривания щелока с 50-55 до 60-65 % сухого вещества. Одновременно окисляется содержащийся в щелоке сульфид.
Недостатком этой схемы является увлажнение поступающего в топку воздуха. Дымовые газы после СРК с таким испарителем содержат в 10 раз меньше дурнопахнущих соединений, чем при использовании газоконтактных испарителей.
В настоящее время наибольшее распространение получила шведская схема СРК без использования испарителей. В этом случае щелок выпаривается на выпарных станциях, оснащенных суперконцентраторами до концентрации 70-85 %. Дымовые газы после СРК проходят двухступенчатую очистку: в сухих электрофильтрах и мокрых скрубберах. Схема СРК шведского типа представлена на рис. 13.
Рис . 13. Схема СРК без испарителей: 1 – СРК; 2 – бункер Na 2 SO 4 , 3 – турбосмеситель ; 4 – теплообменник; 5 – унос из электрофильтра; 6 – унос с экономайзера; 7 – насос для подачи щелока в СРК; 8 – летка для стекания плава из СРК; 9 – растворитель плава; 10 – циркуляционный насос; 11 – насос для зеленого щелока; 12 – подача слабого белого щелока; 13 – слабый белый щелок на орошение скруббера; 14 – труба для паров и газов; 15 – скруббер; 16 – подача воздуха в СРК; 17 – электрофильтр; 18 – мокрый скруббер; 19 – дымовая труба; 20 – пар на турбины; 21 – питательная вода в водотрубный котел; 22 – стоки; 23 – раствор на спрыск; 24 – дымососы
Топка СРК представляет собой шахту прямоугольной формы высотой от 10 до 30 метров. Стенки и под топки экранированы трубками парового котла. По высоте топка делится на две зоны: окислительную и восстановительную. Восстановительная зона включает горн, заполненный плавом и огарком (до уровня сопел первичного воздуха), и газовое пространство (между соплами первичного и вторичного воздуха).
В восстановительной зоне недостаток кислорода и высокие температуры 1100-1200 о С . Окислительная зона занимает пространство от сопел вторичного воздуха до фестонного (расположенного прямо над топкой) пучка трубок парового котла.
СРК работает с коэффициентом избытка воздуха α=1,1…1,2. Первичный воздух (60-70 % от общего) подается в топку вентилятором или воздуходувкой. Подогрев воздуха осуществляется в особом паровом калорифере или в воздушном экономайзере. Черный щелок с концентрацией 70÷85 % поступает в смеситель, где перемешивается с сульфатом, золой и уносом.
Полученная вязкая смесь нагревается в теплообменнике до температуры 115÷135 о С (чем выше концентрация щелока, тем выше температура). Растворение в щелоке золы и сульфата, а также нагревание снижает вязкость щелока и облегчает подачу в топку. По способу подачи имеется два типа топок: щелок подается струей на боковые поверхности. По мере подсушки огарок падает вниз на под топки; щелок поступает в топку в виде мелких капель.
Тема 40 В любом из этих типов топок щелок мгновенно превращается в огарок и образует «подушку» высотой 2-4 м. Пиролиз начинается уже при сушке щелока, в результате этого углеродсодержащие вещества превращаются в кокс. При температуре 1100-1200 о С в восстановительной зоне СРК кокс выгорает, а для горения кокса в топку через специальные окна в стенках топки подают первичный воздух. В этой же зоне идет восстановление сульфата до сульфида . Для реакции нужна восстановительная среда (недостаток кислорода), поэтому зона называется восстановительной.
В верхнем слое «подушки» для сжигания кокса и дожигания горючих газообразных продуктов реакции в топку подают вторичный воздух. Иногда вторичный воздух подают в две зоны – верхнюю (верхнюю зону называют зоной третичного воздуха) и нижнюю. Начиная с зоны вторичного воздуха, в топке избыток кислорода. Поэтому зону называют окислительной.
Конечным продуктом сгорания щелока является сульфатный плав, который содержит 70÷80 % Na 2 CO 3 , 15÷20 % Na 2 S, 1-4 % невосстановленного Na 2 SO 4 . Из других натриевых соединений в небольшом количестве присутствует Na 2 SO 3 , Na 2 S 2 O 3 , NaCl (примесь в сульфате, загружаемом в печь), силикаты, хроматы и алюминаты (результат побочных реакций плава с материалами футеровок топок). Кроме того, в плав могут попасть мелкие частички невыгоревшего угля .
Плав растворяют слабым белым щелоком и получают зеленый щелок, который направляется на каустизацию . Состав зеленого щелока отличается от состава плава тем, что в нем имеется небольшое количество NaOH (за счет слабого белого щелока). Степень восстановления сульфата ( 𝑁𝑎2 𝑆/(𝑁𝑎 2𝑆+𝑁𝑎2𝑆𝑂 4)*100) определяют по данным анализа белого щелока.
Однако при растворении плава соотношение между Na 2 S и Na 2 SO 4 не меняется. Степень восстановления на современных предприятиях превышает 92 %, а на заводах, которые сжигают черный щелок с высокой исходной концентрацией (70-85 %), степень восстановления возрастает до 96-99 %.
Плав собирается на поду топки, а затем через отверстие в стенке и по стальной полой лётке стекает в растворитель плава. Растворитель представляет собой закрытый стальной бак, снабженный вертикальной рамной мешалкой, вращающейся с частотой 0,5-0,6 с -1 . Днище растворителя для предохранения истирания делают двойным, а боковые стенки защищают от преждевременной коррозии тонким слоем щелочеупорного цемента
К верхней кромке растворителя присоединяется трубопровод для отвода в атмосферу газов и паров, выделяющихся при растворении плава. Для глушения треска, возникающего при попадании раскалённого плава в щелок, устанавливают небольшой циркуляционный насос, который непрерывно подает зеленый щелок на струю плава, разбивая ее и заглушая треск. Иногда для глушения шума дополнительно вводят пар .
Распределение температур в топке в зоне: горения кокса 1100-1200 о С; нижнего вторичного дутья 700 о С; пароперегревателя 600 о С; водяного экономайзера 450-500 о С.
Дымовые газы отдают тепло воде, циркулирующей в трубках парового котла, затем охлаждаются в экономайзере (аппарат для нагрева питательной воды перед ее поступлением в паровой котел) до температуры 150-180 о С и идут в электрофильтр, а далее в мокрый скруббер, где они нагревают щелочной раствор, который затем охлаждается в теплообменнике и направляется в растворитель плава. Охлажденные до температуры 60-80 о С газы уходят в дымовую трубу.
Содорегенерационные котлоагрегаты без каскадного испарителя имеют существенные преимущества перед СРК с испарителем: они проще и экономичнее. Расход тепла на испарение влаги в 6- корпусной выпарной станции в 4-5 раз ниже, чем в каскадном испарителе ;
хорошо сочетаются с мокрыми скрубберами, которые снижают унос после электрофильтров на 80-90 %, абсорбируют 90-95 % серосодержащих газов, снижают потери тепла с дымовыми газами. К недостаткам можно отнести удорожание выпарной станции, необходимость усиления хвостовой части СРК, увеличение нагрузки на электрофильтр.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Дымовые газы СРК содержат унос – твердые частички размером от 1 до 30 мм. Концентрация уноса в дымовых газах 3-9 г/м 3 . На 1 т целлюлозы образуется около 8000 м 3 дымовых газов, с которыми уходит около 80 кг Na 2 SO 4 . В составе уноса 70-85 % Na 2 SO 4 , 10-15 % Na 2 CO 3 , 4-5 % сажи.
Унос загрязняет атмосферу, зашлаковывает трубки парового котла, нарушает режим работы СРК. Из-за уноса имеют место значительные потери щелочи и серы при сжигании щелоков. Наряду с твердыми частичками в дымовых газах присутствуют газообразные соединения – SO 3 , SO 2 , H 2 S, меркаптаны, с которыми теряется сера.
Основной причиной появления уноса является механическое увлечение твердых частиц горячими дымовыми газами, а не происходящие в СРК химические реакции, в результате которых образуются возгоняющиеся вещества (химический унос). Химический унос натриевых солей обусловлен диссоциацией карбоната натрия при температурах выше 1000 о С с образованием элементарного натрия: Na 2 CO 3 →2Na+CO+O 2 .
В хвостовой части агрегата происходит конденсация паров, и в результате реакций с компонентами дымовых газов возникает мелкодисперсная зола, которая частично осаждается в дымоходах и зольниках, а частично уходит в трубу. В летучей золе основными компонентами являются карбонат и сульфат, появляющиеся за счет следующих реакций: 2Na 2 +O 2 →2Na 2 O Na 2 O+CO 2 →Na 2 CO 3 Na 2 O+SO 3 →Na 2 SO 4 .
Присутствие в дымовых газах триоксида серы (SO 3 ) является результатом окисления диоксида серы (SO 2 ) при температурах 400-600 о С при избытке кислорода: 2SO 2 +O 2 ↔2SO 3 .
Реакция образования триоксида серы обратима, но при избытке кислорода равновесие сильно сдвинуто вправо. Для очистки газов применяют электрический и мокрый методы. Электрическая очистка от пылевидных частиц производится в многопольных электрофильтрах при скоростях газа 1 м/с с эффективностью 96-99 %.
Мокрая очистка осуществляется в мокрых скрубберах, которые орошаются водным раствором NaOH или Na 2 CO 3 . Щелочной раствор поглощает серосодержащие газы (H 2 S, SO 2 , меркаптаны). Дымовые газы охлаждаются в скруббере до температуры ниже точки росы (60-80 о С при атмосферном давлении).
Тепло конденсации идет на нагревание скрубберного раствора, который охлаждается в теплообменнике, нагревая воду, направляемую затем на технологические цели. После теплообменника скрубберный раствор используется для растворения плава, а дымовые газы выбрасываются в атмосферу .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
После растворения плава в слабом белом щелоке образуется зеленый щелок – цвет ему придают незначительные примеси соединений железа. Концентрация общей титруемой щелочи в зеленом щелоке 115-140 г/л в единицах Na 2 O.
Состав зелёного щелока (в г/л в ед. Na 2 O): Na 2 CO 3 …….65-85; Na 2 S ………..20-25; NaOH ………10-15 ; Na 2 SO 4 …………. 1-3.
Основной компонент зеленого щелока (Na 2 CO 3 ) плохо растворяет лигнин, поэтому задачей процесса каустизации является перевод карбоната натрия в активный NaOH . Реакция каустизации обратима и никогда не доходит до конца, так как в обеих частях уравнения реакции присутствуют плохо растворимые вещества ( Ca (OH) 2 и CaCO 3 ): Na 2 CO 3 +Ca(OH) 2 ↔2NaOH+CaCO 3 ↓.
Результат реакции оценивают степенью каустизации – отношением эквивалентных концентраций гидроксида натрия к сумме гидроксида и карбоната в полученном белом щелоке: К =( 𝑁𝑎𝑂𝐻 )____ х 100 . 𝑁𝑎𝑂𝐻+𝑁𝑎2𝐶𝑂3
Теоретически при каустизации содового раствора (без примесей) возможна степень каустизации 99 %. На практике степень каустизации много ниже и составляет 75-88 %. Основные факторы процесса каустизации : температура; концентрация; состав раствора (присутствие посторонних ионов); относительное количество извести, взятой для реакции.
Температура реакции мало влияет на равновесную степень каустизации . Однако увеличение температуры снижает продолжительность реакции. Поэтому в производственных условиях стремятся вести процесс при достаточно высоких температурах (около 100 о С ).
Увеличение концентрации раствора ускоряет реакцию, но снижает равновесную степень каустизации чистых содовых растворов. При каустизации производственного зеленого щелока получены аналогичные результаты, но величина степени каустизации более низкая из-за влияния посторонних соединений (Na 2 S, Na 2 SO 4 и др.)
Среди этих соединений наибольшее отрицательное воздействие на степень каустизации оказывает Na 2 S. Это значит, что щелок с высокой сульфидностью будет каустизироваться с меньшей степенью каустизации, чем щелок с низкой сульфидностью .
Количество извести Ca (OH) 2 оказывает значительное влияние на процесс. Увеличение расхода извести благоприятствует каустизации и ускоряет процесс, однако при этом увеличивается масса шлама (CaCO 3 ), что создает трудности, связанные с его отделением. Поэтому избыток извести выше 10 % сверх теоретического расхода нежелателен.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Каустизация в промышленных условиях включает следующие технологические операции: отделение зеленого щелока от шлама (осветление зеленого щелока); гашение извести зеленым щелоком (получение реакционной смеси);
очистку реакционной смеси от песка, камней, недожога извести); завершение каустизации реакционной смеси (получение смеси белого щелока и шлама); отделение белого щелока от шлама; промывку шлама белого и зеленого щелоков (получение слабых щелоков).
Технологическая схема отдела каустизации Зеленый щелок из растворителя плава поступает в осветлитель, для удаления так называемого «черного шлама» - твердых частиц, содержащих сульфиды, сульфаты и силикаты железа, марганца, алюминия. Эти частицы имеют зелено-бурый цвет и определяют цвет самого щелока. Концентрация шлама 3-5 кг/м 3 .
Черный шлам затрудняет последующие технологические операции. Отделяют его от зеленого щелока методом отстаивания, используя для этого одноярусные отстойники. Осветленный крепкий зеленый щелок из отстойника направляют на гашение извести в гаситель-классификатор.
В гасителе-классификаторе происходит реакция между измельченной после известерегенерационной печи извести ( CaO ) и осветленным зеленым щелоком . Эту реакцию называют гашением извести: CaO+H 2 O→Ca(OH) 2 .
Рис. 14. Технологическая схема отдела каустизации : 1 – осветлитель зеленого щелока; 2 – фильтр со сходящим полотном для промывки черного шлама; 3 – каустизаторы ; 4 – фильтр со сходящим полотном для отбора крепкого белого щелока; 5 – вакуум-фильтр; 6 – бункер шлама; 7 – бак крепкого белого щелока; 8 – бак слабого белого щелока; 9 – бункер извести; 10 – гаситель-классификатор; 11 – подогреватель щелока
Полученное известковое молоко очищается от песка и мелких камней в классификаторе и направляется в батарею из нескольких каустизаторов , работающих последовательно. Реакция каустизации начинается во время гашения извести и продолжается в каустизаторах , которые обогреваются паром и рассчитаны на время пребывания суспензии 1,5-3 часа. Каустизаторы снабжены мешалкой. Температура в первом каустизаторе 90 о С, в последнем 100-102 о С.
Из каустизаторов выходит суспензия шлама в белом щелоке концентрацией 10-12 %, а белый щелок для варки целлюлозы должен содержать не более 50 мг/л взвесей. Для отделения шлама применяют методы отстаивания и фильтрации . Сейчас более распространены аппараты, работающие с использованием метода фильтрации жидкости.
Широкое распространение получили фильтры со сходящим полотном ( Эймко-Белт ). Фильтр состоит из вращающегося перфорированного барабана, поверх которого натянута полипропиленовая ткань. Барабан погружен в ванну. Полипропиленовая ткань выходит за пределы барабана в особую ванну, где она промывается водой, а иногда соляной кислотой.
Это позволяет поддерживать ткань в чистом состоянии. В двух зонах барабана поддерживается вакуум. В нижней зоне происходит фильтрация крепкого щелока и на полотне формируется папка (слой) шлама. В верхней зоне идет промывка шлама горячей водой.
Получаемый при этом фильтрат содержит 60-70 г/л активной щелочи и его обычно присоединяют к крепкому щелоку, увеличивая выход белого щелока. Преимуществом фильтров Эймко-Белт является небольшие габариты, недостатком – некоторая сложность в эксплуатации.
Рис. 15. Двухзонный вакуум-фильтр Эймко-Белт : 1 – барабан; 2 – спрыски; 3 – сетковедущий валик; 4 – направляющий валик; 5 – натяжной валик; 6 – спрыски для промывки и продувки сетки; 7 – сетка из синтетической ткани; 8 – нижняя вакуумная зона; 9 – верхняя вакуумная зона; 10 – ванна; 11 – мешалка; 12 – вход суспензии; 13 – сход промытого шлама; 14 - отвод фильтрата из зон 8 и 9; 15 – отвод промытой воды
После фильтрации шлам идет в бункер, а затем на окончательную промывку перед обжигом. Отделенный от зеленого щелока черный шлам промывается на фильтре со сходящим потоком и вместе с отходами гасителя- классификатора идет в отвал. Полученный при промывке черного шлама слабый зеленый щелок вместе со слабым белым щелоком, полученным в результате окончательной промывки шлама белого щелока, идет на растворение плава.
Технико-экономические показатели работы отдела каустизации : Расход извести 85 % CaO кг/т в.с.целлюлозы ……250…270 Количество шлама, кг/т в.с . целлюлозы 420…490 Выход белого щелока, % от зеленого 75…88 Расход пара, т/т в.с . целлюлозы… 0,15…0,20 Расход горячей воды, м 3 /т в.с . целлюлозы… 3…4
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
При каустизации зеленого щелока на 1 т в.с . целлюлозы образуется около 500 кг шлама (CaCO 3 ). Поэтому все современные предприятия регенерируют известь из шлама по реакции: СaCO 3 →CaO+CO 2 и возвращают CaO на каустизацию . Такая регенерация является экономически эффективной и экологически оправданной .
Для получения извести из шлама и известняка применяются известерегенерационные печи, в которых за счет сжигания топлива (расход тепла на обжиг составляет 3170 кДж на 1 кг CaO ) создается определенный температурный режим со следующими тепловыми зонами :
Зона сушки (t=45-200 o C). В этой зоне материал, поступающий в печь, нагревается. Благодаря этому уменьшается вязкость воды. При температуре выше 100 о С происходит усиленное испарение воды, сухость шлама увеличивается. При содержании влаги 20-25 % шлам превращается в твердые куски, а при влажности 10 % прочность кусков падает, и при контакте с цепями куски могут измельчаться в пыль.
Зона нагрева (t=200-850 о C). В этой зоне удаляется вся влага, в том числе и кристаллическая вода из оксидов, содержащихся в шламе. Происходит связывание полуторных оксидов в следующие соединения CaO·Al 2 O 3 , 2 CaO·Fe 2 O 3 , 2CaO·SiO 2 . При температуре 600 о С начинается распад ионов CO 3 2- : CO 3 2- →CO 2 +O 2- .
Эта реакция идет на поверхности кристалла в активных центрах. По мере роста температуры начинает идти реакция: СaCO 3 →CaO+CO 2 . Зона обжига (t=850-1200 о С). С увеличением температуры ускоряется разложение СaCO 3 . Появляющиеся CaO и CO 2 образуют поверхности раздела, возникает слой CaO , состоящий из кристаллов размером 0,03-0,3 мкм. С увеличением толщины слоя с ростом температуры происходит укрупнение кристаллов.
Зона охлаждения (t=1200-1000 о С). Предварительное охлаждение происходит за счет контакта материала с вторичным воздухом и с охлаждаемой воздухом футеровкой. Время пребывания материала в зонах 2,5-4 часа, в том числе в зоне обжига 1,5-2 часа.
Для обжига извести используются вращающиеся известерегенерационные печи (ИРП), представляющие собой стальной цилиндр, диаметром 2,6-3,5 м, диной 40-110 м. Внутри печь имеет обмуровку из жаростойкого бетона (в зоне сушки) и огнеупорного кирпича (в остальных зонах). Во избежание налипания шлама на стенки в загрузочном конце печи в футеровку заделаны концами висячие металлические цепи.
Они при вращении печи со скоростью 0,5-2 об/мин сбивают ударами о стенки налипшие комья. Цепи набирают на себя пастообразный шлам, увеличивая поверхность соприкосновения с газами и ускоряют сушку шлама. Для передвижения материала от холодного к горячему концу печи предусмотрен уклон 2-4 о .Режим обжига поддерживается за счет сжигания газа или мазута.
Печь оборудована устройствами для окончательного охлаждения извести, улавливания уноса и мокрой очистки дымовых газов, а также системой конвейеров для транспортировки материала на обжиг и готовой продукции на каустизацию .
Шлам после промывки направляется в печь. К нему добавляют свежий известняк для восполнения потерь извести. После обжига в печи известь идет на охлаждение, либо в рекуператор, встроенный в горячий конец печи, либо в барабанный холодильник извести. Охлажденная известь (t=150-200 o C) транспортируется в бункеры отдела каустизации .
Дымовые газы из печи поступают в пыльную камеру, где улавливается за счет снижения скорости около 50 % уноса. Далее газы идут на мокрую очистку (эффективность 97 %) в скруббер Вентури . Очищенные газы выбрасываются в атмосферу, а горячая вода поступает на очистку отстаиванием.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Производство сульфатной целлюлозы – процесс с замкнутой системой регенерации химикатов. После каустизации затраченная на варку активная щелочь снова возвращается в процесс в виде белого щелока. Но всю щелочь вернуть в производство не удается, часть ее теряется. Эти потери возмещают добавкой свежих химикатов – сульфата (Na 2 SO 4 ) и соды (Na 2 CO 3 ).
Потери щелочи бывают случайными и технологически неизбежными. Случайные происходят из-за утечек, переливов щелока, при чистке и промывке оборудования. Их можно полностью устранить путем правильной организации труда. Технологически неизбежные потери полностью устранить невозможно, но необходимо стремится свести их к минимуму.
Сумма потерь щелочи при наличии эффективной улавливающей аппаратуры составляет от 20 до 40 кг Na 2 SO 4 / т целлюлозы. Технологически неизбежными являются следующие потери: 1. При сдувках и выдувке (с брызгами щелокоуловителя ) – 0,4 кгNa 2 SO 4 /т . 2. При промывке (с промытой массой) – 8-10 кг Na 2 SO 4 /т.
3 . При счерпывании мыла (натриевые соли смоляных и жирных кислот) – 10 кг Na 2 SO 4 /т. 4. При выпарке (с перебросом щелока и пены, с конденсатами) – 1,2 кг Na 2 SO 4 /т . 5. С уносом из топок СРК – 5-8 кг Na 2 SO 4 /т. 6. При каустизации (с промытым известковым шламом) – 7-10 кг Na 2 SO 4 /т.
Схема отдела регенерации извести
Потери щелочи с сульфатным мылом могут быть значительно снижены, если на заводе производится разложение сульфатного мыла серной кислотой. В этом случае значительная часть потерь возвращается обратно в баки щелоков перед выпаркой. Потери щелочи с уносом из СРК могут быть минимизированы путем установки электрофильтров.
Поскольку в производственном процессе щелочь находится в постоянном кругообороте, т.е. после цикла регенерации химикатов снова возвращается на варку, принято составлять круговой баланс щелочи, рассчитанный на 1 т целлюлозы в кг всей Na 2 O. Круговой баланс щелочи показывает не только безвозвратные потери, восполняемые добавкой сульфата, но и все количества щелочи, циркулирующие в производственном цикле.
Рис. 17. Баланс щелочи по цехам завода сульфатной целлюлозы (кг всей Na 2 O/т в.с . целлюлозы):1 – варочный; 2 – промывной; 3 – выпарной; 4 – содорегенерационный; 5 – каустизационный
Для характеристики относительной величины потерь щелочи и расхода свежих химикатов существует понятие степень регенерации щелочи: R А =100 - 𝑛/𝑁 · 100, R А – степень регенерации щелочи, %, где n – потери щелочи или расход свежих химикатов, кг всей Na 2 O/т; N – количество щелочи, поступающее в котел с белым щелоком, кг всей Na 2 O/т.
Степень регенерации щелочи показывает, какая ее часть по отношению к количеству, загруженному в котел, возвращается после регенерации на варку. На современных предприятиях степень регенерации щелочи 92-97 %. В рассмотренном примере (рис 17) минимальные потери щелочи составляют 27,7 кг Na 2 O/т.
При производстве сульфатной целлюлозы средней жесткости из древесины хвойных пород в котел с белым щелоком поступает около 311 кг Na 2 O /т. Степень регенерации щелочи в этом случае будет равна: R А =100 - 𝑛 /𝑁 · 100=100- 27,7/311· 100=91,1 %. Удельный расход 95 % сульфата составит: 311·(100-91,1):100·(142:62)·(100:95)~67 кг/т.
Заводы, вырабатывающие мягкую целлюлозу, при той же степени регенерации будут иметь более высокий расход свежего сульфата, так как при производстве такой целлюлозы удельный расход свежих химикатов выше. На передовых предприятиях, имеющих эффективно работающее оборудование для промывки целлюлозы и надежную улавливающую аппаратуру, удельные расходы сульфата очень низкие – 20-30 кг на 1 т жесткой целлюлозы
В производстве сульфатной целлюлозы потери щелочи возмещаются сульфатом. Поэтому в технологическом цикле вместе со щелочью циркулирует сера. После восстановления сульфата в топке СРК образуется сульфид натрия. Потери серы в производственном цикле восполняются также добавкой сульфата . В сульфате содержание эквивалентных количеств серы и щелочи одинаково (S:Na 2 O=1:1).
Поэтому потери щелочи и серы по абсолютной величине (в пересчете на сульфат) равны между собой. Но по относительной величине (т.е. по отношению к количествам серы и щелочи, циркулирующим в цикле регенерации химикатов) потери серы всегда больше, чем потери щелочи .
Причина этого заключена в том, что на некоторых участках производства (при выпарке, сжигании щелоков) часть серы теряет связь со щелочью и образуются натриевые соединения, не содержащие серы, - Na 2 CO 3 , NaOH , а также серосодержащие газы – H 2 S, SO 2 , CH 3 SH, не содержащие натрия.
Чем больше разница между относительными потерями серы и щелочи, тем меньше сернистых соединений содержит белый щелок, тем ниже его сульфидность . На рис. 18 представлен баланс серы (в кг серы на 1 т в.с . целлюлозы) по цехам сульфатцеллюлозного завода:
На участке от каустизации до счерпывания мыла относительные потери серы могут лишь немного превысить относительные потери щелочи. Наибольшие потери серы происходят при выпарке и сжигании щелоков, когда образуются летучие вещества – сероводород, сернистый газ , меркаптаны и органические сульфиды
Рис. 18. Баланс серы по цехам сульфат-целлюлозного завода (1 кг всей серы на 1 т в.с . целлюлозы): 1 – варочный; 2 – промывной; 3 – выпарной; 4 – содорегенерационный; 5 – каустизационный
Особенно велики потери серы при сжигании щелоков. В первой стадии сжигания – сушки щелока - в результате карбонизации сульфида образуется сероводород: Na 2 S+CO 2 +H 2 O→Na 2 CO 3 +H 2 S↑. Во время пиролиза огарка выделяются значительные количества других сернистых соединений – меркаптанов, органических сульфидов, которые затем сгорают до SO 2 и SO 3 .
Летучие продукты могут появляться и на третьей стадии процесса за счет реакции разложения сульфата: Na 2 SO 4 +CO→Na 2 CO 3 +SO 2 ↑. Кроме того, сера теряется из-за уноса твердых частиц из СРК в виде Na 2 SO 4 . Для характеристики относительных потерь серы служит понятие степень регенерации серы: R S =100 𝑚/𝑀 · 100 , где R S – степень регенерации серы, %; m – потери серы в кг серы (или Na 2 SO 4 ); M – количество серы в белом щелоке, поступающем на варку в тех же единицах .
Сумма потерь серы на заводах колеблется от 10 до 25 кг S/т, а степень регенерации серы от 60 до 90%. Зная R A и R S , можно найти абсолютные потери щелочи и серы: n = 100−𝑅𝐴 · 𝑁, 100 m = 100−𝑅𝑆 ·M. 100
Эти величины, выраженные в единицах сульфата, должны быть равны между собой: (100-R S )·M=(100-R A )· N Отсюда можно найти эквивалентное отношение количеств серы и щелочи в белом щелоке: 𝑆 = 𝑀 = 100−𝑅𝐴 𝑁𝑎2𝑂 𝑁 100−𝑅𝑆
Отношение S:Na 2 O дает возможность судить о сульфидности белого щелока, но не вполне точно выражает сульфидность . Необходимо в формулу ввести поправки. Так, в числителе должна присутствовать не вся сера, а только Na 2 S, поэтому выражение в числителе нужно умножить на степень восстановления P. А знаменатель для перехода к активной щелочи (от всей щелочи) надо умножить на степень активности A.
Тогда выражение для сульфидности белого щелока через степени регенерации серы и щелочи будет иметь следующий вид: C = 𝑃(100−𝑅𝐴 ). 𝐴(100−𝑅𝑆)
Формула показывает, что при высокой степени регенерации щелочи (более 90%) получить щелок нормальной сульфидности (около 30 %) можно, лишь обеспечив высокую степень регенерации серы (более 65 %). Например, при степени регенерации щелочи 90 % и сульфидности 30 % степень регенерации серы должна быть 66 %.
Поскольку наибольшие потери серы происходят при сжигании щелоков, то улучшить степень регенерации серы можно за счет сокращения потерь серы в содорегенерационном отделе. Упаривание щелоков перед сжиганием до высокой концентрации (70-85 %) в значительной степени меняет механизм горения щелока – большая часть серы остается в плаве и существенно сокращается образование летучих сернистых соединений
Установка за содорегенерационными агрегатами электрофильтров и мокрых скрубберов также улучшает степень регенерации серы. Применение этих мер часто приводит к увеличению сульфидности белого щелока свыше 40 %, что нежелательно для варочного процесса. Есть несколько способов уменьшения сульфидности . Один из них заключается в сокращении расхода свежего сульфата и частичной замене его содопродуктами
Таким образом, увеличение степени регенерации химикатов (щелочи и серы) имеет как экономический смысл (снижается расход свежих химикатов), так и экологическое значение, так как резко сокращается количество дурнопахнущих выбросов, вызывающих отравление окружающего воздуха.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
На различных этапах производства сульфатной целлюлозы (при варке, выпарке, сжигании щелоков) образуются токсичные летучие сернистые соединения: сероводород, метилмеркаптан , диметилсульфид , диметилдисульфид . Они уходят из производственного цикла с газами и конденсатами и загрязняют природу.
На многих предприятиях концентрация дурнопахнущих серосодержащих газов превышает допустимую санитарную норму. Летучие сернистые соединения, содержащиеся в газовых выбросах сульфат-целлюлозных заводов, разносятся на значительное расстояние вокруг предприятий, а сдувочные и выпарные конденсаты, содержащие сероводород, метанол и метилсернистые соединения, попадают в водоемы, создают угрозу для жизни рыб и людей, поскольку ухудшают качество питьевой воды.
Причина появления вредных летучих соединений заключается в химических реакциях, происходящих при варке целлюлозы, между метоксильными группами лигнина и сульфидной серой. В результате этих реакций и образуются метилсернистые соединения, сероводород, метанол, которые выделяются из щелока при сдувках , выдувках, а также при промывке целлюлозы, выпаривании и сжигании отработанного щелока .
Большинство заводов, вырабатывающих сульфатную целлюлозу, для сбора дурнопахнущих конденсатов и газов имеют закрытые колодцы. Газы из сборников дурнопахнущих вод направляются на обезвреживание, а вода – на дезодорационные установки.
Уничтожение дурнопахнущих газов может быть достигнуто путем сжигания, обработки хлором, отбельными растворами, окисления воздухом, абсорбции водой, щелоком или другими поглотителями. Обработка дурнопахнущих газов хлорной водой или отбельным раствором разрушает летучие сернистые соединения. Однако использование хлора на многих предприятиях прекращено из-за большой токсичности хлорированных органических соединений.
Дурнопахнущие сернистые соединения довольно хорошо абсорбируются щелочными растворами (черным щелоком, белым щелоком, водным раствором NaOH ). Предпочтительным является использование водного раствора NaOH , так как применение белого или черного щелока, например, в мокрых скрубберах после СРК приводит к обратному выделению сероводорода из имеющегося в щелоке сульфида натрия углекислотой.
Наиболее действенным методом обезвреживание дурнопахнущих газов является их сжигание, при котором сернистые соединения превращаются в сернистый газ (SO 2 ). Поглощение SO 2 в скруббере щелочным раствором позволяет вернуть серу в систему регенерации . Однако это часто приводит к возрастанию сульфидности белого щелока и для регулирования сульфидности приходится частично заменять сульфат натрия содопродуктами .
В производстве сульфатной целлюлозы формируются три типа систем неконденсируемых газов: высококонцентрированные (ВК ДПГ) малого объема высокой концентрации; низкоконцентрированные (НК ДПГ) большого объема низкой концентрации; отходящие газы из отгонной колонны (« стриппинг -колонны») установки очистки сильнозагрязненных конденсатов.
Большая часть дурнопахнущих газов приходится на долю первой и третьей систем. Основные источники неконденсируемых газов малого объема и высокой концентрации на сульфатцеллюлозных заводах: сдувочные и выдувочные газы варочных установок; сборники грязных конденсатов выпарных установок; сборник грязных конденсатов установок очистки грязных конденсатов
В потоке ВКДПГ основная составляющая часть – воздух, в котором содержится пониженное количество кислорода. Общая концентрация кислорода в ВКДПГ менее 10 %. Из сернистых соединений в ВК ДПГ присутствует большое количество органической серы. ВК ДПГ собираются от источников и паровым эжектором подаются на сжигание в ИРП через специальную форсунку.
Поток низкоконцентрированных ДПГ представляет собой воздух, загрязненный сернистыми соединениями. Источники НК ДПГ – бункер щепы, вакуум-фильтры, баки черных щелоков, сборники пены и мыла.
Для очистки сильнозагрязненных конденсатов используются отгонные колонны, в которых конденсаты обрабатываются водяным паром. Очищенный конденсат может использоваться в отделе каустизации . Неконденсированные газы после отгонной колонны содержат метанол, поэтому они транспортируются на сжигание отдельным потоком при температуре 90-95 о С, влажности газа около 40 % под давлением, образующимся в колонне .
Для безопасности сбора и транспортировки неконденсируемых газов, которые содержат H 2 S, СH 3 SH, (CH 3 ) 2 S, скипидар, метанол и образуют с воздухом взрывоопасные смеси, их разбавляют воздухом или водяным паром для того, чтобы работать вне пределов взрываемости . В системах утилизации ВК ДПГ и НК ДПГ для транспортировки газов применяют пароэжекторы , исключающие возможность искрообразования.
Использованные для сжигания ВКДПГ известерегенерационные печи по сравнению с автономной печью для сжигания имеют определенное преимущество, поскольку капиталовложения в этом случае гораздо меньше. Тепло, выделяющееся при сгорании газов, обеспечивает экономию топлива.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Основная цель отбелки – это придание целлюлозе белого цвета, т.е. повышение ее белизны. Белизна поверхности определяется коэффициентом отражения света. Чем он выше, тем белее поверхность для человеческого глаза. По российскому стандарту белизну целлюлозы определяют с помощью прибора лейкометра при синем свете. В качестве эталона 100 % белизны используется баритовая пластинка (BaSO 4 ).
В небеленых целлюлозах окрашивающими веществами являются хромофорные группы остаточного лигнина Хромофорные группы лигнина
Кроме увеличения степени белизны целлюлозы при отбелке надо обеспечить стабильность белизны, под которой понимается сохранение белизны в течение длительного времени на достигнутом уровне. Стабильность белизны характеризуют показателем реверсии белизны при ее искусственном ( выдерживании при 105 о С в течение 72 часов).
Отбелку можно осуществлять путем превращения и стабилизации хромофорных групп лигнина без его удаления из полуфабриката. Такую отбелку называют оптической и широко используют в производстве полуцеллюлозы и механической массы.
Для отбелки целлюлозы такая обработка недостаточна. Высокая белизна может быть достигнута только при завершении процесса делигнификации , начатом при варке. При отбелке целлюлозы делигнификация происходит полностью, а в беленой целлюлозе можно обнаружить лишь следы остаточного лигнина.
Кроме лигнина при отбелке удаляются смолы, другие экстрактивные вещества, зольные элементы, частично гемицеллюлозы, а также недостаточно делигнифицированные частицы (костра, кусочки коры). Суммарные потери веществ при отбелке целлюлозы для бумаги составляют от 6 до 10 %.
При отбелке целлюлозы для химпереработки необходимо кроме высокой белизны придать целлюлозе определенные физико-химические свойства: высокое содержание α-целлюлозы, низкое содержание гемицеллюлоз, низкую зольность и смолистость, определенную вязкость.
В общем виде задачу отбелки можно сформулировать так: повышение белизны целлюлозы, завершение делигнификации , придание беленой целлюлозе определенных физико-химических свойств в соответствии с ее назначением. По существу происходящих процессов отбелку можно рассматривать как продолжение варки. Однако при отбелке делигнификация протекает в более мягких условиях, чем при варке и с большей селективностью
Современная отбелка является многоступенчатым процессом – на отдельных ступенях используют различные делигнифицирующие и отбеливающие реагенты, а между ступенями целлюлозную массу промывают горячей водой для удаления отбельных реагентов и продуктов реакции . В недавнем прошлом отбелка всегда начиналась с обработки молекулярным хлором – хлорирования. В результате образовывались хлорпроизводные лигнина, растворимые при последующей щелочной обработке – щелочении.
Эти две первые ступени отбелки значительно снижали содержание остаточного лигнина, однако белизна целлюлозы при этом почти не изменялась. В настоящее время для делигнификации целлюлозы перед отбелкой используют главным образом кислород, озон и пероксид водорода. Отказ от хлорирования продиктован токсичностью образующихся продуктов (хлорированные диоксины и фураны). Имеются несколько разновидностей современных схем отбелки (без использования ступени хлорирования):
схемы без применения молекулярного хлора и гипохлорита (ECF ); схемы с оптимизированным расходом диоксида хлора и пероксида водорода ( mild ECF ) схемы без применения молекулярного хлора, гипохлорита и диоксида хлора (TCF);
Оценка схем отбелки производится с точки зрения экономичности и экологической безопасности. Об экологической безопасности схемы отбелки можно судить по показателю AOX (абсорбированные органические галогены). Количество АОХ в остаточных водах отбельного цеха (в кг на 1 т в.с . целлюлозы) пропорционально расходу хлорсодержащих отбеливающих реагентов и может быть ориентировочно рассчитано по формуле Гермгарда : АОХ=(0,07…0,1) ( Cl /2 + 𝑁𝑎𝐶𝑙𝑂/2 +𝐶𝑙𝑂2/5), где Cl 2 – расход молекулярного хлора, кг/т активного хлора; NaClO – расход гипохлорита, кг/т в ед. активного хлора; ClO 2 – расход диоксида хлора, кг/т в ед. активного хлора.
В большинстве развитых стран количество АОХ в сбрасываемых сточных водах регламентируется экологическими нормативами и составляет не более 0,2…0,25 кг/т. Расход реагентов на отбелку зависит от степени делигнификации целлюлозы, которая оценивается числом Каппа. Фактор Каппа (KF) – это отношение активного хлора, заданного на ступень делигнификации к числу Каппа небеленой целлюлозы, поступающей на отбелку.
Чем фактор Каппа ниже, тем безопаснее с экологической точки зрения схема отбелки. При отбелке сульфатной лиственной целлюлозы этот показатель составляет 0,15…0,18, при отбелке хвойной целлюлозы 0,20…0,22. Другой показатель, по которому оценивается экологическая безопасность схемы отбелки – химическое потребление кислорода (ХПК) сточных вод отбельного цеха.
Для современной схемы отбелки этот показатель не должен превышать 30…40 кг/т. На многих современных предприятиях ХПК сточных вод отбельного цеха много ниже 10…15 кг/т. Снизить ХПК стоков можно за счет применения кислородно-щелочной делигнификации , рационального использования фильтратов, образующихся при промывке целлюлозы между ступенями отбелки.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Первыми отбеливающими реагентами были хлор и его соединения (гипохлориты, диоксид хлора), которые избирательно воздействовали на лигнин, превращая его в вещества, хорошо растворимые в воде и в щелочных растворах. Целлюлоза при такой обработке разрушалась лишь в незначительной степени.
Хлор (Cl 2 ) – ядовитый газ желто-зеленого цвета с резким запахом, в 2,5 раза тяжелее воздуха. При растворении в воде образует хлорную воду. При 0 о С и давлении 0,37 МПа превращается в жидкость. Часто на целлюлозные заводы хлор поступает в жидком виде в стальных баллонах или в вагонах – цистернах, где находится под давлением 1,5 МПа. Основным промышленным методом получения хлора является электролиз хлорида натрия: 2NaCl+2H 2 O→Cl 2 +2NaOH+H 2 . Выход продуктов электролиза до 97% по отношению к теоретическому. Некоторые целлюлозные заводы имеют собственные хлорные заводы для производства Сl 2 и NaOH .
Гипохлорит натрия ( NaClO ) – это раствор, который получают путем насыщения растворов гидроксида или карбоната натрия хлором в хлораторах периодического или непрерывного действия: 2NaOH+Cl 2 →NaCl+NaClO+H 2 O. Раствор гипохлорита и других соединений хлора характеризуют концентрацией активного хлора (обычно на уровне 25…40 г/л).
Диоксид хлора (ClO 2 ) при нормальных условиях представляет собой зеленовато-желтый газ. При охлаждении превращается во взрывоопасную красно-белую жидкость. Газ ClO 2 чрезвычайно ядовит. Максимально допустимая для человека концентрация ClO 2 составляет 0,1 мг/л воздуха в течение 8 часов. Диоксид хлора хорошо растворим в воде. Для отбелки целлюлозы используют его водные растворы с концентрацией до 10 г/л, которые взрывобезопасны и устойчивы.
Диоксид хлора получают из хлората натрия (NaClO 3 ) путем его восстановления в кислой среде. В качестве восстановителей используют диоксид серы, сульфат хрома и другие. В США и России широко применяется способ Мэтисона , в котором восстановителем служит SO 2 в присутствии концентрированной H 2 SO 4 : 2NaClO 3 +SO 2 →Na 2 SO 4 +2ClO 2 .
Одновременно идет побочная реакция, в результате которой образуется молекулярный хлор: 2NaClO 3 +5SO 2 +4H 2 O→Cl 2 +Na 2 SO 4 +H 2 SO 4 . Недостатком способа Мэтисона является образование кислого остатка (Na 2 SO 4 +H 2 SO 4 ). Этот отход используют для разложения сырого сульфатного мыла вместо бисульфата и серной кислоты. Однако при этом в систему вводится заметное количество хлоридов, которые, попадая в варочный котел, вызывают коррозию.
Другим распространенным способом получения ClO 2 является способ Дея и Кестинга –восстановление хлората соляной кислотой: NaClO 3 +2HCl→NaCl+½Cl 2 +ClO 2 +H 2 O. Модификацией этого способа является установка фирмы Кребс, работающая в филиале АО «Группа «Илим» в г. Усть-Илимске. Восстановление происходит в титановом реакторе цилиндрической формы, диаметром 2,3 м, высотой 10,4м.
Пероксид водорода H 2 O 2 имеет вид сиропообразной жидкости, легко разлагается на воду и кислород: 2H 2 O 2 →2H 2 O+O 2 . При низком рН H 2 O 2 довольно стабилен, но в присутствии некоторых металлов ( Fe , Cu , Cr ) легко разлагается. Разложение ускоряется при повышении температуры и увеличении рН. Пероксид водорода взрывоопасен, его поставляют в алюминиевых бочках при концентрации 30…60 %.
Кислород O 2 . Кислород применяется для отбелки целлюлозы в газообразном состоянии. Кислород сжижается при температуре -183 о С, затвердевает при 218,7 о С. Кислород плохо растворим в воде: при 20 о С и атмосферном давлении в 1 л воды растворяется 3,1 см 3 О 2 . Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Кислород способствует горению.
В промышленности кислород получают из воздуха путем его разделения на отдельные составляющие криогенным, адсорбционным или мембранным способами. Обращение с кислородом требует соблюдения специальных правил по технике безопасности, так как в атмосфере кислорода многие материалы воспламеняются.
Озон O 3 . Сильный окислитель и очень токсичный газ, поэтому отходящие газы из установки для отбелки озоном должны пройти через систему, разрушающую озон. Разрушение озона происходит при температуре выше 300 о С, либо на специальных катализаторах. Озон получают непосредственно на целлюлозных заводах при электрическом разряде в озонаторах.
Многоступенчатая отбелка Одним реагентом невозможно добиться высокой белизны целлюлозы. Поэтому отбелку ведут по многоступенчатой схеме, включающей несколько ступеней (многоступенчатой схеме). Между ступенями проводят промывку целлюлозы для удаления остатков химикатов и продуктов реакции. Число ступеней отбелки составляет от 3 до 10. Применяют следующие виды обработки:
Хлорирование (сокращенное обозначение Х) Кислородно-щелочная обработка (КЩО) Озонирование (О 3 ) Щелочение (Щ) с окислительными добавками (ЩО, ЩОП, ЩП) Гипохлоритная отбелка (Г) Отбелка диоксидом хлора (Д) Горячее облагораживание (ГО) только для растворимой Холодное облагораживание (ХО) целлюлозы Кисловка.
Схему многоступенчатой отбелки условно можно разделить на две части: первичную обработку (завершение процесса делигнификации ); окончательную отбелку ( добелку ), задача которой придать целлюлозе необходимую белизну и требуемые физико-химические свойства.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Выпуск бумажной массы на сетку машины осуществляется напорными устройствами разного типа: подпорными линейками, открытыми и закрытыми напорными ящиками. Назначение этих устройств заключается в том, чтобы хорошо перемешанную и диспергированную массу без водоворотов и перекрестных струй подвести к выпускной щели и выпустить на сетку со скоростью , приближающейся к скорости сетки
Напорное устройство должно обеспечивать регулирование толщины слоя массы, вытекающего на сетку, по всей ширине машины, а также регулирование ширины выпускной щели и, следовательно, напора, от которого зависит скорость истечения массы. Между скоростью истечения массы υм и напором существует зависимость v м = 60 μ √2 gh м/мин,
где g – ускорение силы тяжести, м/сек2; h – высота напора массы перед выпускной щелью, м (считается до середины щели); μ – коэффициент истечения. Коэффициент истечения зависит от формы выпускной щели и от распределительных элементов перед щелью. Так, для обычных линеек с вертикальной подпорной стенкой этот коэффициент находится в пределах 0,6–0,7 , для напорных ящиков с конической выпускной губой 0,9–0,95, а с комбинированной выпускной губой (конической формы с вертикальной передвижной верхней стенкой) 0,7–0,8
Скорость истечения бумажной массы при выходе на сетку должна быть равна или немного меньше скорости движения сетки. Считают, что наиболее удовлетворительное формирование бумаги происходит при коэффициенте отставания скорости массы от скорости сетки в пределах 0,90–0,95.
При более значительном отставании просвет бумаги ухудшается и увеличивается продольная ориентация волокон, что вызывает повышение прочности бумаги в продольном направлении. Подобный метод работы применяют при выработке бумаги для прядения. При увеличении скорости истечения массы выше скорости сетки просвет бумаги также ухудшается, но при этом повышается прочность бумаги в поперечном направлении листа.
Большое значение для формования бумажного листа имеет угол, под которым струя, вытекая из выпускной щели, ложится на сетку. Этот угол должен приближаться к нулю, а встреча струи с сеткой должна происходить за вертикальной линией, проходящей через центр грудного вала. Лучше всего, если струя ложится над кромкой формующей доски, расположенной сразу же за грудным валом. В этом случае она ложится на сетку более ровно, без брызг.
Обычно при работе на очень низких скоростях наблюдается некоторое опережение потока массы, а при работе на высоких скоростях – отставание массы от сетки. Это объясняется тем, что при работе на низких скоростях требуется очень малый напор. При нем трудно получить устойчивый режим работы машины, поэтому лучше работать с несколько большим напором .
Скорость сетки всегда меньше скорости сушильной части бумагоделательной машины или скорости бумажной ленты на накате из-за вытяжки мокрого бумажного полотна в мокрой части машины. В зависимости от вида бумаги и типа бумагоделательной машины отставание скорости сетки от скорости бумаги на накате составляет от 5 до 15%, т. е. коэффициент отставания скорости сетки от скорости бумагоделательной машины (по накату ) составляет 0,85–0,95.
Поэтому при расчете требуемого напора массы для данной скорости машины необходимо учитывать этот коэффициент . Если обозначить через Кс – коэффициент отставания скорости сетки от скорости бумаги на накате, а через Км – коэффициент отставания массы от сетки , то можно написать
v = К с К м v = 60μ √2gh м/мин , где υм – скорость массы, м/мин; υ – скорость бумажной ленты на накате, м/мин.
Напорные ящики открытого типа применялись ранее при скорости бумагоделательной машины, не превышающей 400 и 450 м/мин, однако при таких скоростях машины напорный ящик открытого типа получается весьма громоздким . В последнее время все шире начинают применяться напорные ящики закрытого типа, даже на машинах, работа- ющих при сравнительно невысоких скоростях , вытесняя ящики открытого типа.
В этих напорных ящиках требуемый напор массы достигается либо за счет гидроди-намического напора, создаваемого масс- ным насосом, либо давлением воздуха над массой , создаваемым компрессором.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Сеточный стол бумагоделательной машины состоит из регистровой части, иногда подвергаемой тряске, отсасывающих ящиков и гауч-пресса . Разбавленная волокнистая суспензия непрерывным потоком вытекает на движущуюся бесконечную сетку. На сеточном столе масса теряет большую часть содержащейся в ней воды, превращаясь в бумажное полотно , которое при сухости около 15–20% передается с сетки на сукно первого пресса для дальнейшего уплотнения и механического обезвоживания прессованием.
Сетка, обогнув нижний вал гауч-пресса, возвращается к грудному валу. При обратном движении сетка, направляемая несколькими сетковедущими валиками, промывается водой при помощи водяных спрысков , и снова подходит к регистровой части сеточного стола. Оборотная вода от регистровой части машины по желобам и сливам отводится в сборник оборотной воды
Чтобы предотвратить растекание жидкой массы по краям сетки, в начале регистрового стола устанавливают ограничительные линейки . Для обрезания неровных кромок сырого бумажного полотна перед гауч-прессом имеются две краевые отсечки (водяные ножи) и одна переводная , используемая для разрезания бумажного полотна при заправке бумаги . Между отсасывающими ящиками над сеткой иногда устанавливают легкий ровнительный валик (эгутер), который применяется для улучшения просвета бумаги, уплотнения ее структуры и нанесения водяных знаков.
У современных машин сеточный стол монтируется на фундаментных шинах горизонтально. У машин, вырабатывающих широкий ассортимент бумаги , сеточный стол иногда снабжают приспособлением для изменения величины уклона с целью создания лучших условий при отливе бумаги на различных скоростях. Когда не было современных напорных ящиков, недостаточную скорость вытекания массы компенсировали приданием уклона сетке . При современных напорных устройствах у быстроходных машин надобность в уклоне сеточного стола отпала.
Для облегчения смены сеток сеточный стол при помощи специальных вспомогательных балок и привода (чаще всего ручного) можно выдвигать на рабочую или приводную стороны. В новейших конструкциях машин сеточный стол при помощи специального нажимного приспособления можно удерживать консольно на опорах, что позволяет надевать сетку, предварительно растянутую на вспомогательном станке, методом надвигания. Длина и ширина сеточного стола зависят от производительности и скорости бумагоделательной машины и вида вырабатываемой бумаги
Длина сеток на разных машинах может колебаться от 12 до 54 м. У машин средних скоростей, работающих без вакуум-пересасывающего устройства , она составляет обычно 25–30 м, у быстроходных машин с вакуум-пересасывающим устройством 36–54 м, а у самосъемочных машин 12–18 м . В первом случае длина сеточного стола составляет 11,5– 13,5 м, во втором 16–23 м, а третьем только 5,5–8 м, так как отношение между длиной сетки и длиной сеточного стола обычно находится в пределах 2,15–2,35.
Наиболее типичная ширина сетки для тихоходных машин 2,5–3,6 м, для машин средних скоростей 3,6–4,7 м и для быстроходных машин 4,7–7,2 м. В последнее время появилась тенденция повысить ширину бумагоделательных машин до 9–10 м. Площадь сеточного стола F определяется как произведение длины сеточного стола L на его ширину В F = LB .
За длину сеточного стола принимают расстояние между центрами грудного и нижнего (головного ) вала гауч-пресса, а за ширину – условно необрезную ширину бумаги на накате. Удельный съем бумаги с 1 м2 сеточного стола в час является важной характеристикой работы бумагоделательной машины . В зависимостиот технического оснащения сеточного стола, скорости машины и вида вырабатываемой бумаги удельный съем бумаги с сеточного стола может колебаться в очень широких пределах, от 2–5 кг при выработке тончайшей конденсаторной бумаги до 150 кг и выше при выработке газетной, мешочной бумаги и крафт -лайнера.
Регистровая часть сеточного стола Регистровая часть начинается от грудного вала и состоит из регистровых валиков, расположенных в одной плоскости. Между грудным валом и первым регистровым валиком обычно устанавливают формующую доску для устранения провисания сетки и улучшения формования. Между отдельными регистровыми валиками на быстроходных машинах также для устранения провисания сетки и заброса воды центробежной силой на соседний валик ставятся небольшие опорные планки и дефлекторы
Дефлекторы и опорные планки: 1 – формующая доска; 2 – опорная планка двойная; 3 – планка одинарная; 4 – дефлектор
В этой части сеточного стола происходит формование бумажного полотна из разбавленной волокнистой суспензии и удаление из нее большей части воды под влиянием свободного отекания и отсасывающего действия регистровых валиков . Регистровые валики для небольших машин изготовляют из латунных и алюминиевых , а для больших машин из стальных труб, которые покрывают слоем меди или резины. Диаметр регистровых валиков зависит от ширины машины и находится в пределах от 80 до 400 мм.
Ориентировочно диаметр регистрового валика может быть подсчитан по эмпирической формуле D = ks , где D – диаметр валика, мм; k – коэффициент, равный 0,047; s – ширина сетки, мм.
Длина регистрового валика обычно больше ширины сетки на 130–150 мм. Регистровые валики должны обладать достаточной прочностью, чтобы прогиб от их собственного веса не превышал 1/5000, и хорошо отбалансированы . Плохо отбалансированный регистровый валик бьет и подбрасывает массу на сетке, что недопустимо, так как нарушается процесс формования бумажного листа.
Количество регистровых валиков зависит от длины сеточного стола и диаметра валиков. Регистровые валики снабжены шариковыми подшипниками, которые установлены в гнездах, расположенных на регистровых балках, снабженных приспособлениями для установки валика по высоте, а иногда и по горизонтали.
Схема отсасывающего действия регистрового валика: Н – слой массы над сеткой; h – слой воды под сеткой, удерживаемый силами поверхностного натяжения; w – зона отсоса
Обе регистровые балки, на которых устанавливают и подшипники грудного вала , прямоугольного сечения, изготовляются из стали и обтягиваются листовой медью или нержавеющей сталью для защиты от коррозии. Регистровые валики поддерживают сетку и способствуют обезвоживанию бумажной массы на сеточном столе.
На свободных участках сетки между регистровыми валиками, за исключением лишь первой части сеточного стола, вода почти не удаляется, так как ее поверхностное натяжение под сеткой достаточно велико и противодействует силе тяжести и напору массы над сеткой . Вода стекает лишь на участке регистрового валика между точками А и В (рис. 134), когда сетка входит в соприкосновение с поверхностью регистрового валика в пункте А
Благодаря смачиванию и силам сцепления воды с поверхностью регистрового валика, а также кинетической энергии вращения валика и движения сетки происходит всасывание воды в кармане АВС. В некоторой точке В всасывающее действие валика прекращается, так как подвод воды из слоя массы на сетке оказывается недостаточным, чтобы заполнить карман водой .
Наблюдения показали, что на тихоходных машинах при скоростях ниже 60 м/мин вода на регистровых валиках удаляется главным образом под влиянием напора массы над сеткой и силы тяжести, при этом вода стекает с передней стороны валика, который действует как шабер, а при больших скоростях – под влиянием отсасывающего действия регистровых валиков, которое возрастает с увеличением скорости машины и может достигать очень высоких значений.
По мере того как в процессе формования бумажного полотна и удаления избытка влаги волокнистый слой на сетке увеличивается и уплотняется , растет сопротивление обезвоживанию, и количество воды, удаляемой на регистровых валиках, по ходу сетки постепенно уменьшается . Поэтому суммарное обезвоживание бумажной массы на регистровой части сеточного стола при увеличении скорости машины возрастает не согласно квадратичному закону, как на первых регистровых валиках, а примерно пропорционально скорости машины. (Известно, что у новых бумагоделательных машин длину сеточного стола увеличивают в меньшей степени, чем повышают их рабочую скорость.)
При работе бумагоделательных машин на высоких скоростях регистровые валики становятся причиной нарушения формования бумажного полотна , особенно в первой части сеточного стола, где отсасывающее действие валиков максимально, а волокнистый слой еще не сформирован или очень слаб . Даже при невысоких скоростях над каждым регистровым валиком на сетке виден гребень, который образуется вследствие заноса воды, прилипшей к поверхности валика, и выдавливания ее им через сетку в бумажную массу .
При этом вода отмывает мелкое волокно и наполнители с нижней стороны листа, вызывая разносторонность бумаги. При увеличении скорости высота гребней увеличивается, могут происходить всплески массы(масса подбрасывается над сеткой в виде столбиков и брызг), что создает более сильные помехи для формования бумаги. Чаще такие всплески наблюдаются на быстроходных машинах в местах прохождения струй массы над регистровыми валиками. Этим всплескам массы способствует также и провисание сетки при прохождении ее над зоной отсоса валика
Чтобы улучшить формование бумажного полотна на быстроходных машинах , прибегают к затормаживанию обезвоживания на первых трех-пяти регистровых валиках, придавая им желобчатую поверхность. На поверхности регистровых валиков наносят канавки шириной около 3 мм и глубиной от 1,5 до 6 мм с шагом около 6 мм (16 канавок на длине 10 см). Такие регистровые валики не оказывают отсасывающего действия и потому не нарушают процесса формования бумаги при высокой скорости сетки. С этой же целью регистровые валики заменяют гидропланками .
На быстроходных самосъемочных бумагоделательных машинах для выработки тонкой впитывающей бумаги санитарно-бытового назначения из массы очень садкого помола применяют сеточные валики легкой конструкции , но сравнительно большого диаметра, не обладающие отсасывающим действием .
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Формование листа на сетке бумагоделательной машины протекает непрерывно и длительность этого процесса исчисляется секундами, что затрудняет контроль за ним. Разбавленная волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает на движущуюся бесконечную сетку, равномерно разливается по ширине сетки и движется вместе с нею, постепенно теряя воду и превращаясь в мокрое бумажное полотно. Находящиеся в суспензии волокна под влиянием силы тяжести и отсасывающего действия регистровых валиков и гидропланок оседают на сетку, образуя на ней волокнистый фильтр, через который фильтруется вода и на котором задерживаются более мелкие волокна , частицы наполнителей и проклеивающих веществ.
Так как ячейки сетки достаточно велики по сравнению с размерами волокон и особенно сразмерами частиц минеральных наполнителей, в начале сеточного стола, когда на сетке не осели еще крупные волокна и не образовали волокнистого фильтра , наблюдается большой провал через нее мелкого волокна и минеральных наполнителей. В дальнейшем толщина волокнистого слоя увеличивается , и он, как фильтр, задерживает более мелкие волокна и частицы наполнителя и проклеивающих веществ, при этом отходящая регистровая вода становится более светлой. Наряду с ростом толщины волокнистого слоя на сетке возрастает и его плотность, а следовательно, и сопротивление его обезвоживанию.
При формовании бумажного листа на сетке бумагоделательной машины технологу и конструктору приходится решать две проблемы: 1) получение бумаги высокого качества, обладающей хорошим, равномерным просветом и имеющей, следовательно, однородное строение, равномерные толщину и вес квадратного метра, гладкую поверхность, достаточную механическую прочность и другие заданные свойства; 2) улучшение и ускорение обезвоживания бумажной массы на сеточном столе при работе бумагоделательной машины на высоких скоростях
Технологические факторы, обусловливающие качество бумаги в процессе листообразования на сетке бумагоделательной машины Качество бумаги зависит от многих факторов: успешного диспергирования суспензии в напорном ящике и на сетке в процессе отлива, степени разбавления и условий выпуска массы на сетку, тряски сетки, режима обезвоживания , работы ровнителя, температуры массы, конструкции сеточного стола , свойства массы и др. Здесь остановимся лишь на четырех основных вопросах листообразования : флокуляции волокон и их диспергирования в суспензии, анизотропности , разносторонности и равномерности отлива и структуры бумаги
Флокуляция волокон и их диспергирование в суспензии . Явление флокуляции волокон в потоках бумажной массы сильно осложняет процесс отлива на сетке бумагоделательной машины и ухудшает просвет бумаги . Флокулы (хлопья) образуются при движении волокон в волокнистой суспензии относительно друг друга под влиянием срезывающих усилий внутри жидкости, столкновения, спутывания и слипания волокон. При этом образующиеся флокулы могут снова разрушаться, а вместо них возникать новые.
Явление флокуляции в разбавленной волокнистой суспензии обусловлено как чисто механическими процессами спутывания и сцепления волокон , так и коллоидно-физическими процессами слипания волокон. Изучением флокуляции волокон занимались многие исследователи: Андерсон, Мэзон , Робертсон , Варен, Эрспалмер , Волведж , Хиггинс и др. , тем не менее это явление еще изучено недостаточно.
Главными факторами флокуляции волокон являются: длина волокон, их концентрация в суспензии, вид волокна и степень его помола, механическое перемешивание, электрокинетический потенциал, наличие многовалентных ионов и коллоидных веществ, а также вязкость жидкости.
При увеличении длины волокон флокуляция возрастает, как и при увеличении их концентрации, и волокна труднее поддаются диспергированию. Поэтому отливать бумажное полотно из длинноволокнистой массы значительно труднее, чем из массы с более короткими волокнами. Концентрация массы – один из важных факторов флокуляции . При сильном разбавлении массы отдельные волокна могут свободно перемещаться и подвергаться вращению в жидкости, не образуя скоплений и флокул . При достижении критической концентрации волокна не могут свободно перемещаться и образуют скопления.
Эта критическая концентрация зависит от вида волокон, их размеров и составляет не более 0,05–0,1%, т. е. она гораздо ниже той концентрации , при которой происходит отлив бумажного полотна. Следовательно , в процессах бумажного производства всегда имеются условия для процесса флокуляции , с которым приходится бороться для получения равномерного по структуре листа бумаги. Размол уменьшает флокуляцию волокон, так как при этом они измельчаются и гидратируются . На процесс флокуляции оказывают влияние электрические свойства самого волокна и присутствующих в суспензии электролитов и гидрофильных полимеров.
Высокий электрокинетический потенциал целлюлозного волокна благоприятствует диспергированию суспензии. При снижении этого потенциала процесс флокуляции волокна усиливается. Это подтверждается опытами диспергирования целлюлозного волокна в нитробензоле и бензине. В первом случае при высоком ξ-потенциале волокна (142 мв ) образуется устойчивая дисперсия, а во втором при ξ-потенциале, равном нулю, происходит интенсивная флокуляция , и образуются очень стойкие крупные флокулы
Электрокинетический потенциал целлюлозного волокна может изменяться в результате адсорбции волокном других коллоидных веществ, а также катионов, присутствующих в бумажной массе. Некоторые из них при адсорбции на поверхности волокна понижают заряд целлюлозы и этим способствуют флокуляции волокна, при дальнейшей адсорбции катионы могут перезарядить волокно и, следовательно, способствовать его диспергированию .
Очень эффективным диспергатором является тринатрийфосфат . Сернокислый глинозем может быть и диспергатором и флокулятором . Эспармер установил , что он при низкой температуре повышает флокуляцию , а при высокой (60° С) снижает. Он действует при рН 4,5–9 как диспергатор , а за пределами этой области рН – как флокулятор . При низкой концентрации он действует как диспергатор , а при высокой – как флокулятор . Поведениеглинозема трудно объяснить электрокинетическими свойствами системы глинозем – волокно
Хорошими диспергаторами являются гидрофильные коллоиды: манноалактаны , карбоксиметилцеллюлоза , карайская смола и альгиновая кислота . Однако эти же вещества могут служить и флокуляторами для частиц наполнителей , повышающими из удержание в бумаге. Механизм их действия еще неясен. Волведж считает, что диспергирующее действие этих веществ происходит благодаря повышению вязкости воды. Эспармер считает, что эти вещества действуют, как защитные коллоиды, а Мэзон объясняет смазывающим действием этих веществ поверхности волокон и снижением трения
Анизотропность и разносторонность бумаги . Изучение структуры бумаги машинного отлива показало, что волокна в ней расположены слоями в плоскости листа, при этом большая часть волокон расположена в продольном направлении бумажного полотна, т. е. в направлении отлива или под небольшим углом к нему, и лишь небольшая часть волокон – в поперечном направлении . Волокон, расположенных в направлении, перпендикулярном плоскости листа, практически не встречается. Таким образом, волокна в бумаге имеют преимущественную продольную ориентацию, причем она сильнее выражена на сеточной стороне листа, чем на верхней. Благодаря этому сопротивление бумаги разрыву и излому, а также ее впитывающая способность выше в продольном направлении листа, а сопротивление раздиранию , растяжимость и деформация – в поперечном.
Преимущественная ориентация волокон в бумажном полотне обусловлена методом производства бумаги на машине. В напорном ящике волокна расположены беспорядочно во всех направлениях. Однако при прохождении через выпускную щель благодаря сжатию струи и градиенту скорости часть волокон ориентируется в направлении потока. Ориентация усиливается затем благодаря градиенту скорости сетки и потока массы на ней. Под действием тряски сетки продольная ориентация волокон несколько снижается , но в дальнейшем под влиянием раскатывающего действия прессовых валов и вытяжки бумаги в мокрой и сушильной частях машины ориентация
волокон в готовом бумажном листе еще более повышается. В результате преимущественность ориентации волокон в листе бумага приобретает анизотропность . Более сильная продольная ориентация волокон на нижней ( сеточной) стороне листа происходит потому, что именно здесь сильнее всего проявляется действие градиента скорости оседающих на сетку волокон и сетки, тогда как действие тряски больше проявляется на волокнах, расположенных с верхней стороны листа. На верхней стороне листа обычно и больше крупных хлопьев, в которых волокна располагаются беспорядочно.
В результате большей ориентации волокон с нижней стороны листа бумага приобретает склонность к скручиванию при изменении ее влажности. Этот дефект сильно снижает качество многих видов бумаги и совершенно недопустим для перфокарточной бумаги и бумаги для печати.
Р а з н о с т о р о н н о с т ь б у м а г и заключается в том, что нижняя и верхняя стороны бумаги имеют разные белизну, гладкость, степень проклейки и печатные свойства. Объясняется это тем, что в процессе формования бумажного полотна на сетке бумагоделательной машины длинные волокна , наполнители, проклеивающие вещества и красители неравномерно распределяются в толще листа: на нижней стороне листа больше длинных волокон , но меньше мелкого волокна, минеральных наполнителей, проклеивающих веществ и красителей, чем на верхней
Разносторонность бумаги можно объяснить двумя причинами. Вопервых , тем, что процесс формования листа на сетке бумагоделательной машины происходит таким образом, что на нее вначале откладывается волокнистый слой из длинных волокон и образует фильтр, на котором задерживаются более мелкие волокна и наполнители, вся же мелочь проваливается через ячейки сетки на первой стадии формования, пока на сетке еще нет волокнистого фильтра из крупных волокон. Во-вторых, тем, что при прохождении сетки с волокнистым слоем по регистровым валикам благодаря переменному давлению (снизу сетки) и разрежению на каждом регистровом валике происходит отмывка мелкого волокна, наполнителей и проклеивающих веществ с нижней поверхности листа.
Равномерность отлива и структуры бумаги. При отливе бумажного листа на бумагоделательной машине большое значение имеет получениеоднородной по весу 1 м2 бумаги, от которого в значительной мере зависят и другие ее свойства: равномерные влажность, гладкость и толщина.
Вес 1 м2 бумаги во времени колеблется обычно из-за изменения концентрации массы. Эти колебания можно устранить исправной работой регуляторов концентрации, а также системы подачи массы на машину. Гораз - до сложнее устранить колебания веса по ширине полотна, которые почти целиком зависят от работы напорного ящика и его конструкции: системы потокораспределения , работы перфорированных валиков, конструкции и состояния выпускной щели. При выходе потока массы на сетку из выпускной щели в нем не должно быть перекрестных струй, он должен равномерно разливаться по всей ширине сетки. Для этого необходимо, чтобы поток массы перед выпускной щелью не имел завихрений и водоворотов, а двигался с равномерной скоростью, чтобы концентрация массы по всей ширине ящика была однородной, а перфорированные валики только диспергировали массу , создавая в ней микротурбулентные движения. В выпускной щели не должно быть деформированных линеек.
Качество отлива, структура бумаги, характеризуется обычно просветом , т. е. видом бумаги в проходящем свете. Очень важно, чтобы просвет бумаги был однородным и не было заметно резкой облачности из-за скопления волокон (хлопьев). Для получения бумаги с хорошим просветом необходимо иметь сравнительно коротковолокнистую массу, достаточную степень разбавления и диспергирования суспензии, чтобы поддерживать волокна во взвешенном состоянии на всем пути их движения от потокораспределителя до осаждения на сетке машины. Достигается это установкой перфорированных валиков в напорном ящике и других диспергирующих устройств , трясочного механизма сетки, а также ровнителя, который может еще перераспределить волокна в листе бумаги и устранить скопление волокон , выравнивая структуру бумаги и улучшая ее просвет
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
После отсасывающих ящиков бумага содержит еще сравнительно много влаги (88–90%) и поэтому не обладает прочностью, достаточной для передачи бумажного полотна в прессовую часть машины. Поэтому бумажное полотно вместе с сеткой пропускают еще через гауч-пресс, где сухость бумаги возрастает до 18–22%. Здесь завершается операция формования и обезвоживания бумажного листа на сетке бумагоделательной машины. Бумажное полотно передается в прессовую часть для дальнейшего обезвоживания и уплотнения
Идея замены гауч-пресса отсасывающим валом появилась еще в конце прошлого столетия, но осуществить ее удалось только в 1908 г., когда была разработана конструкция вала Мильспо . Широкое внедрение отсасывающих гауч -валов началось только 20 лет спустя. Теперь с полной уверенностью можно отметить, что замена обычного гауч-пресса отсасывающим валом явилась одним из значительных усовершенствований бумагоделательной машины, которое позволило резко повысить ее скорость.
Работа бумагоделательной машины с обычным гауч-прессом уже при скорости свыше 150 м/мин становится затруднительной из-за неполадок с гауч-прессом и малой сухости бумажного полотна, выходящего с сетки, вследствие чего возрастает число обрывов полотна на машине. Введение отсасывающих валов и применение высокого вакуума ( до 400–600 мм рт. ст.) позволило значительно увеличить сухость бумаги при выходе ее с сеточного стола при высоких скоростях, сократить число обрывов бумаги и резко улучшить работу машины. Кроме того, повысился срок службы сеток.
В настоящее время отсасывающие гауч -валы широко применяются не только на быстроходных, но и на тихоходных бумагоделательных машинах, вырабатывающих самые разнообразные виды бумаги, вплоть до тончайших конденсаторных из массы очень жирного помола. Большие преимущества дает отсасывающий гауч -вал по сравнению с обычным при выработке толстой бумаги и бумаги из массы жирного помола, так как опасность раздавливания бумаги здесь исключается. Недостатком отсасывающих валов являются дополнительный расход энергии на вакуум-насосы и забивание отверстий вала волокном и частицами наполнителя, что может вызвать образование теневой маркировки при выработке бумаги с минеральными пигментами и окрашенной.
Эти недостатки незначительны по сравнению с преимуществами, которые дает отсасывающий вал. Преимущества: улучшение обезвоживаниябумажного полотна и равномерную сухость бумаги, что позволило повысить скорость машины; сокращение брака при выработке бумаги в результате ликвидации дробления и обрывов бумажного полотна и т. п.; снижение аварий и удлинение срока службы сетки из-за отсутствия чулка; простоту обслуживания . По конструкции отсасывающие гауч -валы различают камерные и ячейковые .
Отсасывающие гауч -валы с вакуум-камерой К этому типу относятся гауч -валы с одной, двумя и тремя камерами. По конструкции различают валы открытого и закрытого типа. Отсасывающий гауч -вал первого типа открыт с торцов и вращается в подшипниках, охватывающих вал. Отсасывающий вал второго типа закрыт с торцов крышками и вращается в подшипниках, укрепленных с приводной стороны на цапфе крышки , а с лицевой стороны непосредственно на патрубке отсасывающей камеры
Отсасывающий гауч -вал камерного типа представляет собой перфорированную трубу из бронзы со стенкой толщиной от 25 до 50 мм, в которую вставлена чугунная неподвижная камера шириной от 180 до 230 мм. Диаметр вала у малых машин при наличии одной камеры составляет 600–800 мм, у широких машин 900–1100 мм, а у современных быстроходных машин при наличии двух и трех камер диаметр вала достигает 1500 мм.
Длина трубы вала должна быть больше ширины сетки по край- ней мере на 200 мм, длина сверленой части вала равна ширине сетки или несколько меньше ее. отверстия вала имеют диаметр 7–8 мм; с целью уве - личения площади отсоса и устранения маркировки бумаги эти отверстия увеличивают снаружи зенковкой до диаметра 13–14 мм. Чтобы уменьшить шум и износ внутренней поверхности вала и уплотнений камеры, отверстия на цилиндре располагают по спирали. Расстояния между ними по оси вала 16,3 мм, по окружности вала 14,2 мм.
В конструкции вала открытого типа камера прижимается к его внутренней вращающейся стенке при помощи массивных пружин и установочных винтов . Корпус камеры чугунный, боковые стенки камеры в ме - стах соприкосновения их с валом для лучшего уплотнения выполняют из специальной резины, прорезиненной ткани, текстолита или графита. У со- временных отсасывающих валов для лучшего уплотнения стенки камеры прижимаются к внутренней стенке вала пневматически, при помощи надувных шин.
Нормальное давление прижима уплотнения 0,3–0,5 кгс/см2. С целью создания большей герметичности уплотнений и снижения трения внутри вала устанавливают водяной спрыск. С торцов камеры располагают подвижные перегородки – декели, ограничивающие камеру по ширине бумаги . Камеру можно поворачивать внутри вала на некоторый угол дляустановки ее в оптимальное положение. Вакуум-камера соединяется со всасывающим трубопроводом мощного вакуум-насоса.
Отсасывающий вал от- крытого типа: а – схематичный поперечный разрез вала; б – схема расположения отвер - стий в рубашке вала; 1 – вакуум-ка- мера; 2 – вращающаяся рубашка вала; 3 – отверстия в рубашке
Закрытый отсасывающий вал – вал консольного типа. При смене сетки этот вал можно удерживать, удалив его переднюю стойку, в горизонтальном положении специальным устройством, нажимающим на удлиненную шейку вала с приводной стороны
Вакуум-камера вала опирается на подшипник качения, расположенный внутри приводной цапфы, и закрепляется на полой станине с лицевой стороны вала . Бронзовый корпус вала вращается в роликовых подшипниках, из которых приводной установлен на стойке, а лицевой укреплен на шейке вакуум-камеры. Для удобства установки и передвижения камеры внутри вала она снабжена опорным роликом. Привод вала осуществляется через редуктор, расположенный с приводной стороны вала.
Валы консольного типа получили широкое распространение. Для лучшего уплотнения бумаги над вакуум-камерой отсасывающего вала устанавливают отжимной валик диаметром 300–500 мм, изготовляемый из алюминиевой трубы и облицованный очень мягкой резиной (твердостью 200– 225 пунктов по Пуссей -Джонсу). Поднимают и опускают валик на современных машинах пневматически действующим поршнем .
Для очистки поверхности валика от приставшего волокна над валиком устанавливают постоянный или вибрирующий спрыск с малым расходом воды . Несмотря на непрерывное орошение валика водой, сухость бумажного полотна не только не уменьшается, но даже несколько увеличивается. Кроме того , бумажное полотно (как и случайные комочки массы) уплотняется, вакуум возрастает на 25–80 мм рт. ст., и обрывы бумаги сокращаются. Линейное давление отжимного валика на бумажное полотно составляет 1–3 кгс/см.
Вакуум в камере отсасывающего гауч -вала поддерживается различным в зависимости от вида вырабатываемой бумаги и скорости машины. Так, при выработке бумаги из массы жирного помола на тихоходных машинахвакуум составляет 250–300 мм рт. ст.; при изготовлении бумаги из целлюлозы средней степени помола 300–400 мм рт. ст.; при выработке бумаги с большим содержанием древесной массы на быстроходных машинах 400–500 мм рт. ст., а при выпуске газетной и крафт-бумаги на быстроходных машинах 550– 600 мм рт. ст.
Однако повышение вакуума выше 500 мм рт. ст. требует резкого увеличения мощности, потребляемой вакуум- насосами . Поэтому на современных быстроходных бумагоделательных машинах прибегают к установке двухкамерных валов, что позволяет снизить вакуум в первой по ходу бумаги камере до 380–400 мм рт. ст.
Главный фактор обезвоживания бумажного полотна на отсасывающем гауч -вале – величина применяемого вакуума. С увеличением вакуума интенсивность обезвоживания и прочность влажного полотна возрастают. Чтобы чрезмерно не повышать потребляемую вакуум-насосом мощность, выбирают в зависимости от вида бумаги, скорости машины и типа гауч-пресса такое разрежение, при котором бумага достигает необходимой сухости и прочности при минимальном расходе энергии. Разрежение увеличивают при повышении скорости бумагоделательной машины.
Для более лучшего обезвоживания бумажного полотна в гауч-прессе применяют двухкамерные и даже трехкамерные валы . В первой камере шириной 200–300 мм создают меньший вакуум (380–400 мм рт. ст.), чем во второй, узкой камере шириной 100–180 мм (500–600 мм рт. ст.), что позволяет провести процесс обезвоживания более рационально, с меньшей затратой энергии на вакуум-насосы.
При установке трех камер последняя, наиболее узкая из них, служит для осушки отверстий рубашки гауч -вала от воды. При работе машины на высоких скоростях вода, удаляемая из бумажного полотна под влиянием вакуума , не успевает попасть в камеру и выбрасывается затем из отверстий рубашки вала центробежной силой наружу. При этом вода может забрасываться в бумажное полотно или заноситься в сетку, создавая брак в бумаге и вызывая обрывы бумажного полотна.
Производительность вакуум-насосов можно подсчитать, исходя из количества воды , удаляемой гауч -валом, и содержания воздуха в мокровоздушной смеси. Ориентировочно можно принять, что количество воздуха в мокровоздушной смеси составляет : при выработке бумаги из массы жирного помола 100–200-кратное по отношению к воде; при изготовлении целлюлозной бумаги из массы невысокой степени помола на средних скоростях 200–300-кратное; при выработке бумаги с древесной массой на быстроходных машинах 300–400-кратное .
При эксплуатации отсасывающих гауч -валов обращают внимание на то, чтобы в камере поддерживался необходимый вакуум и чтобы отверстия рубашки вала оставались открытыми. Если вакуум в камере понизился и это не связано с понижением степени помола бумажной массы или понижением веса 1 м2 бумаги, причину надо искать в неплотном прилегании камеры к валу, в наличии засоса воздуха через уплотнения камеры или в плохой работе самого вакуум-насоса
В целях профилактики рекомендуется 1 или 2 раза в год вскрывать вал, вынимать камеру, осматривать и смазывать подшипники, заменять негодные уплотнения, прочищать отверстия рубашки вала. Необходимо 1 или 2 раза в год прочищать отверстия вала, во время смены сетки рубашку вала нужно промывать водой под давлением 50–70кгс/см2 при помощи брандспойта . Для этой цели на фабрике нужно иметь передвижную установку, состоящую из насоса высокого давления и электродвигателя , смонтированного на тележке, которую можно подвезти к любой машине и включить в работу в нужном месте.-
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Согласно исследованиям Бойд-Кемпбелла повышение сухости бума при мокром прессовании ΔТ прямо пропорционально удельному давлению и времени прессования и обратно пропорционально квадрату веса 1 м2 бумаги , квадрату удельной поверхности бумажной массы и вязкости воды при данной температуре, т. е.
∆Т= Pt\ где Р – удельное давление прессования; t – время прессования; q – вес 1 м2 бумаги; s – удельная поверхность бумажной массы; η – вязкость воды при данной температуре .
Анализируя это выражение и условия прессования на бумагоделательной машине, приходим к выводу, что факторами, обусловливающими процесс мокрого прессования на машине, являются удельное давление при прессовании , зависящее от твердости резины и диаметра вала, скорость машины , вес 1 м2 бумаги, сопротивление бумаги обезвоживанию и вязкость воды .
Согласно теории Уолстрема , процесс удаления влаги на прессе можно разделить на три фазы : первая фаза обезвоживания происходит на участке контакта между валами – от его начала до середины, вторая – на участке от середины контакта между валами до его конца, место третьей фазы точно не определено . Обезвоживание на простом прессе протекает несколько иначе , чем на отсасывающем
В первой фазе происходит сжатие влажного бумажного полотна и сукна, в результате чего они оба приходят в состояние водонасыщения . При этом в обычном прессе отжимаемая вода движется навстречу сукну и бумаге, увлажняя их, и стекает под влиянием силы тяжести при выходе из зазора между валами. В отсасывающем прессе вода, выжимаемая из бумаги , движется вниз через толщу сукна в отверстия отсасывающего вала.
Но так как между отверстиями вала имеются промежутки (живое сечение вала составляет лишь 11–14%), обезвоживание над ними происходит лучше , чем над отверстиями (так как давление прессования здесь больше), и воде приходится перемещаться и в горизонтальной плоскости ткани, чтобы достичь ближайших отверстий вала. Этой неравномерностью в обезвоживании на отсасывающем прессе и объясняется так называемая « теневая» маркировка – значительный дефект бумаги
Во второй фазе обезвоживания ткань сукна начинает расширяться, и вода из сукна за счет капиллярных сил всасывания перемещается снова в бумагу . Это происходит потому, что капилляры в бумаге гораздо тоньше, чем у сукна (3–15 мк , против 15–100 мк у сукна). Кроме того, вода частично всасывается из отверстий вала в сукно.
В третьей фазе происходит удаление воды из ячеек отсасывающего вала. Часть этой воды удаляется в виде тумана вакуум-системой через камеру отсасывающего вала, часть поглощается снова сукном, а остальная выбрасывается из ячеек центробежной силой и попадает в корыто под валом и на сукно .
Во второй фазе обезвоживания на обычном прессе влага из сукна переходит в бумагу за счет капиллярного всасывания, как и в отсасывающем прессе . Третьей фазы обезвоживания на обычном прессе, как у отсасывающего пресса, нет и вся отжимаемая вода стекает по поверхности нижнего вала в корыто.
Прессование на вальцовом прессе – равновесный процесс, в котором количество приходящей на пресс и уходящей с него воды равно. Только небольшая часть отжимаемой из бумаги воды удаляется на прессе, остальная часть снова попадает в бумагу и циркулирует с сукном.
Исследования Уолстрема показали, что нормально циркулирует с сукном через зазор между валами примерно 10-кратное количество удаляемой из бумаги воды и что гидравлическая нагрузка в зазоре между валами определяется главным образом влажностью сукна. Чем ниже влажность сукна, тем больше эффективность работы пресса.
Справедливость теории Уолстрема подтверждена исследованиями Свита и др. Так, опытным путем было установлено, что на втором прессе газетной бумагоделательной машины при скорости 400 м/мин в середине зоны прессования сухость бумажного полотна составляла 39%, а при выходе из зоны прессования – только 35%, т. е. на 4% меньше.
Обратный переход влаги из сукна в бумагу относительно больше у тонкой бумаги, чем у толстой, этим и объясняется более низкая сухость тонкой бумаги при обезвоживании на прессах . Это видно из уравнения, связывающего влажность бумажного полотна после прессования с коэффициентом абсорбции и весом бумаги
W=W 1 + Ks\q где W – влажность бумаги после пресса; W1– влажность бумаги после первой фазы прессования; K – коэффициент абсорбции; s – площадь зоны контакта бумаги с сукном во второй зоне; q – вес 1 м2 бумаги.
Теория Уолстрема объяснила процесс обезвоживания бумажного полотна на вальцовых прессах и позволила усовершенствовать этот процесс. В последнее время были усовершенствованы конструкция прессов и прессовые сукна, что позволило резко повысить сухость бумажного полотна на прессах быстроходных машин и эффективность обезвоживания.
К таким усовершенствованиям можно отнести: применение подкладочной синтетической сетки под прессовое сукно, пресс «Вента- нип », пресс высокой интенсивности, раздельный пресс, а также иглопрошивные сукна.
Давление при прессовании . Удельное давление в зоне прессования между валами зависит от линейного давления, толщины и твердости резиновой облицовки вала и его диаметра. Обычно удельное давление на прессах находится в пределах 5–15 кгс/см2, в зависимости от вида бумаги, типа пресса и его расположения в машине.
Ввиду того, что ширина зоны прессования в зависимости от твердости резины, диаметра вала и давления может изменяться в очень широких пределах (от 25 до 70 мм), обычно определяют не удельное, а линейное давление прессования, относя его к 1 см длины вала.
С увеличением линейного давления сухость бумаги повышается. Однако величина давления ограничивается прочностью влажной бумаги. Чем влажнее бумага, тем она слабее и тем меньшее давление приходится применять на прессах, иначе структура бумаги разрушается – бумагу «дробит ». По мере удаления влаги прочность бумаги повышается и она может выдерживать более сильное прессование без разрушения структуры. Поэтому обычно увеличивают давление от пресса к прессу
В последнее время наметилась тенденция к значительному повышению линейного давления прессования на современных бумагоделательных машинах. Это стало возможным благодаря повышению качества прессовых сукон, созданию новых, более рациональных структур ткани, улучшению методов промывки и очистки и усовершенствованию конструкции прессов. Повышение давления прессования на старых машинах возможно только при соответствующей замене прессовых валов.
Давление прессования для старых и новых бумагоделательных машин Машины Линейное давление на 1 см вала, кгс/см 1-й пресс 2-й пресс 3-й пресс Сглаживаю- щий пресс Старые 8—20 15—25 18—35 10—15 Новые 18—36 36—54 54—72 15—20 Скорость бумагоделательной машины. Обезвоживанию бумажного полотна в прессах снижается с увеличением скорости машины, так как уменьшается время прессования и затрудняется отвод воды из зоны контакта валов.
Повышение сухости бумажного полотна при увеличении скорости машины было серьезной проблемой, которую должны были решить конструкторы бумагоделательных машин, так как поступление влажной бумаги в сушильную часть требовало увеличения мощности этой части машины и расхода дополнительного количества тепла на испарение влаги.
Это удорожало производство бумаги требовало больших капитальных затрат. Поэтому не случайно, что первые быстроходные машины имели длинную сушильную часть, так как сухость бумажного полотна после прессов была низкой (28–32%) . Т еперь , когда эта проблема решена, сухость бумажного полотна после прессов на быстроходной машине достигает 36–40%.
Сопротивление массы обезвоживанию. Сопротивление бумажного полотна обезвоживанию при прессовании зависит от композиции бумаги и степени помола массы, т. е. свойств, от которых зависит удельная поверхность волокнистой бумажной массы. Как видно из формулы , степень обезвоживания бумаги снижается с увеличением удельной поверхности волокон .
К сожалению, этот важнейший показатель бумажной массы изучен еще недостаточно, что затрудняет применение формулы для практических расчетов. Сопротивление обезвоживанию в прессах растет с повышением степени помола массы. При одной и той же степени помола оно больше у бумаги из 100% целлюлозы, чем у бумаги, содержащей древесную массу.
Температура бумажного листа . На эффективность обезвоживания большое влияние оказывает вязкость воды. Она, как известно, уменьшается с повышением температуры. По этой причине в зимнее время, когда температура массы ниже, процесс обезвоживания на сетке и на прессах протекает значительно труднее, чем летом.
Для повышения эффективности обезвоживания иногда бумажное полотно перед последним мокрым прессом подогревают, применяя для этой цели радиационные лампы инфракрасного излучения. Можно интенсифицировать процесс обезвоживания бумажного полотна в мокрой части бумагоделательной машины, нагревая при сходе его с сеточной части машины паром.
Для этой цели предложено устройство, названное « аквавак ». Аквавак представляет собой легкую металлическую камеру, устанавливаемую над последними тремя отсасывающими ящиками сеточного стола, где бумажное полотно уже содержит мало воды и наблюдается значительный просос воздуха.
В камеру подается регулируемое количество насыщенного или незначительно перегретого пара, который просасывается через бумажное полотно под влиянием разрежения в ящиках и таким образом нагревает его до 50–60° С. Расход пара составляет около 0,1 кг на 1 кг бумаги, сухость бумажного полотна в прессовой части повышается на 3–4%, что соответствует увеличению производительности машины на 15–18% и сокращению расхода пара на сушку бумаги на 12–15 %.
На современных быстроходный машинах в целях интенсификации обезвоживания на сеточной и прессовой частях ведут работу при высокой температуре оборотной воды, используя в спрысках для промывки сетки подогретую воду. Проведены производственные испытания пресса с электрообогревом бумажного полотна вместе с сукном при отжиме. Полагают , что сухость бумажного полотна на таком прессе можно довести до 45–47 %.
Влияние веса 1 м2 толщины бумаги. C корость обезвоживания снижается с увеличением веса и толщины бумаги. Однако эта зависимость справедлива только для толстой бумаги и картона. Как показали исследования Н. Е. Новикова, подтверждаемые практическими наблюдениями , при снижении веса 1 м2 бумаги ниже 200–300 г степень обезвоживания бумаги в прессе также уменьшается
Ухудшение обезвоживания на прессах тонкой бумаги по сравнению с обезвоживанием толстой объясняется, с одной стороны, впитыванием влаги из сукна во второй зоне прессования, которое в процентном отношении больше для тонкой бумаги, чем для толстой, и, с другой стороны, неравномерностью давления относительно грубой решетки сукна на тонкое бумажное полотно.
Давление верхнего вала неравномерно передается через нити сукна тонкой бумаге, и против пор сукна остаются влажные, менее отжатые участки бумаги. Ухудшение обезвоживания бумаги, вес 1 м2 которой выше 300 г, объясняется увеличением сопротивления фильтрации воды толстого волокнистого слоя.
Из изложенного видно, что на обезвоживание бумаги в прессах оказывают влияние многие факторы, из которых наибольшее значение имеют свойства массы, скорость машины и давление прессования. Поэтому сухость бумажного полотна для разнообразных видов бумаги, вырабатываемых на бумагоделательных машинах различных типов и при разной скорости, бывает разной
Влияние свойств сукна . Свойства сукна и состояние его ткани оказ ы вают большое влияние на процесс обезвоживания бумаги на прессах. Сукна наряду с высокой пористостью и водопропускной способностью должны обладать достаточной плотностью, хорошей упругостью и небольшой сжимаемостью . Давление в зоне прессования зависит от толщины и сжимаемости сукон, а их пористость и влагопропускная способность – от степени загрязнения сукна.
Сухость бумажного полотна перед сушильной частью бумагоделательной машины Бумага Вес 1 м2, г Степень помола, °ШР Скорость машины, м/мин Сухость после прессов, % Тонкая конденсаторная 7-15 94-98 35-70 25-28 Жиронепроницаемая 40-90 75-94 30-120 25-32 Целлюлозная и тряпичная высокосорт - ная 90-160 30-50 40-100 36-42 То же 70-90 30-50 70-250 34-40 Бумага с древесной массой: писчая и типографская 60-80 50-60 150-400 32-38 мундштучная и обойная 90-200 40-45 40-200 35-42 Газетая (на старых машинах) 52 60-65 250-600 30-34 » (» новых » ) 52 60-65 600-800 35-39
Эти свойства сукна изменяются в процессе работы: новое сукно быстро утончается и сжимаемость его снижается, сукно становится более плотным и сухим, и эффективность прессования повышается. Лучше всего сукна работают первые 5 суток. Затем сукна начинают загрязняться, их пористость и водопропускная способность уменьшаются, и через 10–12 суток, когда эффективность в работе пресса снижается, сукно приходится заменять новым
Путем организации рациональной промывки сукна на машине можно существенно повысить эффективность прессования бумаги и удлинить срок службы сукон. Очень большое значение для эффективной работы пресса имеет влажность сукна: чем оно суше, тем больше впитывает влаги в первой зоне прессования и меньше отдает влаги бумаге во второй зоне. В последнее время с успехом применяется конструкция так называемого раздельного пресса, в которой устанавливают вторую пару валов на обратной ветви сукна, что позволяет значительно повысить сухость сукна, а следовательно, и сухость бумажного полотна.
Известно также, что бумажное полотно увлажняетсяот сукна, если оно при выходе из пресса лежит на нем при транспортировке в следующий пресс. Поэтому уже такое простое мероприятие, как установка бумаговедущего валика и заправка бумаги через него после выхода бумаги из пресса, позволяет сразу повысить сухость бумажного полотна на 2–3%.
Можно значительно повысить сухость сукна , а следовательно, и эффективность прессования путем установки шабера из мягкой резины к отсасывающему валу перед входом на него сукна . Таким путем удается устранить занос влаги из отверстий вала в сукно. Сухость сукна при этом повышается на 5–6%, а бумаги до 4%. Обычно шабер монтируют на верхней части корыта для отвода отходящей от вала воды.
Влияние работы прессовой части бумагоделательной машины на свойства бумаги. При прохождении бумажного полотна через прессовую часть бумагоделательной машины свойства бумаги значительно изменяются: бумага уплотняется , становится более прочной на разрыв, продавливание и излом, толщина ее уменьшается, прозрачность возрастает, впитывающая способность и воздухопроницаемость снижаются . Изменение свойств бумажного листа связано с уплотнением бумаги при прессовании, вследствие чего увеличиваются контакт и сопряжение поверхностей волокон в бумаге и повышается прочность межволоконных связей.
При прохождении бумаги через прессовую часть бумагоделательной машины на свойства бумаги оказывает влияние, кроме давления прессования , натяжение бумажного полотна. Бумага вытягивается в длину, и ориентация волокон в продольном направлении листа повышается. Этому способствует также в какой-то мере раскатывающее действие прессовых валов . В результате этого бумага приобретает большую прочность на разрыв и меньшую рястяжимость в продольном направлении листа.
Прочность бумаги на разрыв в поперечном направлении листа повышается меньше, чем в продольном, а растяжимость бумаги в поперечном направлении возрастает.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
После прессовой части мокрое бумажное полотно поступает в сушильную часть бумагоделательной машины, где удаляется оставшаяся после отжима на прессах влага в количестве 1,5–2,5 кг на 1 кг бумаги. Сушильная часть бумагоделательной машины состоит из вращающихся обогреваемых изнутри паром и расположенных обычно в два ряда сушильных цилиндров.
Движущееся бумажное полотно прижимается к нагретой поверхности цилиндров при помощи сушильных сукон, улучшающих теплопередачу и предотвращающих коробление и сморщивание поверхности бумаги при сушке.
Размеры сушильной поверхности, число цилиндров и скорость движения бумажной ленты выбирают с таки расчетом, чтобы бумага, пройдя сушильную часть машины, успела высохнуть до содержания остаточной влаги в размере 5–7%.
Продолжительность сушки бумаги в сушильной части машины незначительна и обычно находится в пределах 20–40 сек. Для сушки сушильных сукон, воспринимающих значительное количество влаги из бумаги, служат такие же сушильные цилиндры, которые находятся под нижним и над верхним рядом бумагосушильных цилиндров.
Схема сушильной части: / — сукноведущий валик, 2 — сушильный цилиндр, 3 — сукносушильный цилиндр, 4 — сукио , 5 — механизм автоматического натяжения сукон, 6 — холодильный цилиндр
Пар, получающийся при испарении влаги из бумаги и сукон, собирается обычно под колпаком, расположенным над всей сушильной частью машины , и оттуда отводится вытяжным вентилятором или естественной тягой наружу. Вместо влажного воздуха , удаляемого из помещения, вводится свежий воздух, который подогревается в калориферах или теплообменниках . В последнем случае используется тепло отходящего воздуха .
Для сушки тонкого листового материала бумаги применяется контактный метод, при котором тепло, необходимое для нагрева материала и испарения из него влаги, непосредственно передается от горячей поверхности сушильных цилиндров, обогреваемых паром. Контактная сушка является наиболее распространенным методом сушки после конвективной .
Она применяется не только в целлюлозно-бумажной промышленности, но также в текстильной, химической, пищевой и др. Однако этот способ сушки менее изучен, нежели конвективный, что объясняется сложностью, кратковременностью процесса, малой толщиной материала, изучить масса- и теплообмен которого очень трудно.
Сушильный процесс на бумагоделательной машине состоит из ряда отдельных повторяющихся циклов, количество которых равно количеству сушильных цилиндров, причем каждый цикл состоит из двух последовательно протекающих во времени фаз: сушки бумаги на нагретой поверхности сушильного цилиндра и в промежутках между цилиндрами.
Сушка бумаги на нагретой поверхности также не вполне однородна, поскольку не вся поверхность бумаги, соприкасающейся с сушильным цилиндром, прикрыта сукном.
В первой фазе каждого цикла сушки (т. е. на сушильном цилиндре)бумажное полотно получает тепло от нагретой поверхности и расходует его на испарение влаги из бумаги и на повышение температуры бумаги, охладившейся во второй фазе при прохождении между сушильными цилиндрами . Во второй фазе каждого цикла испаряется влага с обеих сторон бумаги благодаря теплу, накопленному в первой фазе процесса. В этой фазе сушильного процесса бумага охлаждается.
Как показали экспериментальные исследования И. Л. Любошица , Е. К. Громцева и Т. Шервуда, главная часть воды испаряется на нагретой поверхности сушильных цилиндров. Эти данные подтверждаются и теоретическими расчетами испарения воды на свободных участках между сушильными цилиндрами с учетом понижения температуры бумажного полотна при переходе от одного цилиндра к другому.
Большая часть воды, испаряемой из бумаги, переходит в сушильное сукно в виде пара, который частично конденсируется в сукне, и только незначительная часть влаги переходит в сукно в жидкой фазе в результате капиллярного впитывания.
Испарение влаги из сукна и выход из него несконденсировавшихся паров происходит с обеих сторон сукна при его движении на свободных участках между сушильными цилиндрами и при обратном ходе сукна. При этом сукно охлаждается. При установившемся режиме сушки количество воды, испаряемой из сукна, равно количеству воды, поглощенной из бумаги. В этом процессе расходуется то количество тепла
которое было накоплено в сукне за счет конденсации в нем водяных паров при сушке бумаги на цилиндрах. Ввиду того, что сушильные сукна имеют большие тепловые потери в окружающую среду, составляющие около 50% всех тепловых потерь в сушильной части машины, или 15–25% от общего тепла , расходуемого на сушку бумаги, эти потери должны компенсироваться сукносушильными цилиндрами.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Температура греющего пара. Как это вытекает из основных уравнений сушки, температура пара в пограничном слое со стенкой сушильного цилиндра – один из главных факторов сушки, от которого зависит скорость и эффективность процесса. Анализ работы большого количества бумагоделательных машин, проведенный автором , показал, что с повышением средней температуры сушильных цилиндров и температуры греющего пара скорость сушки возрастает примерно по закону прямой линии
Зависимость между средней температурой сушильных цилиндров и удельным съемом воды с рабочей по- верхности сушильных цилиндров; 1 – бумага, содержащая древесную мас - су, и крафт-мешочная; 2 – целлюлозная бумага
Данные обследования ряда отечественных машин показывают, что средняя температура всех сушильных цилиндров колеблется в очень широких пределах , от 60–70° С при выработке тонкой и конденсаторной бумаги до 120–125 ° С при выработке некоторых массовых видов бумаги с древесной массой , крафт-мешочной и упаковочной, из сульфатной целлюлозы. Максимальное рабочее давление пара в сушильных цилиндрах в этих условиях изменялось в пределах от 1,2 до 3–3,5 кгс/см2 .
Термическое сопротивление металлической стенки сушильного цилиндра невелико, но благодаря наличию воздуха в паре и конденсатной пленки внутри цилиндра перепад между температурой греющего пара и температурой поверхности стенки сушильного цилиндра возрастает до 15–17° С. Таким образом, температура сушильных цилиндров в среднем меньше температуры греющего пара на 15–17° С .
Ввиду того, что указанный выше перепад температур при установившемся режиме работы бумагоделательной машины более или менее постоянен , можно считать, что температура сушильных цилиндров вполне характеризует влияние температуры греющего пара на скорость сушки бумаги. Аналогичные данные о влиянии температуры греющего пара на скорость сушки бумаги получены Д. М. Фляте , Мюллером , Бакстером и Эдемсом в лабораторных условиях. Все эти данные подтверждают вывод о том, что повышение температуры сушки значительно интенсифицирует процесс.
Поэтому всегда необходимо стремиться работать при возможно более высокой температуре сушильных цилиндров, если, конечно, при этом не страдает качество бумаги. Однако применение высоких температур сушки не всегда возможно. Так, бумагу плотной структуры, вырабатываемую из массы жирного помола, необходимо сушить при более низкой температуре , чем бумагу, изготовляемую из массы садкого помола. Форсированная сушка может привести к нежелательному короблению бумаги, а также повышению ее пухлости, пористости и впитывающей способности.
Наоборот, бумагу рыхлой структуры и впитывающую можно сушить при более высокой температуре. В практике работы бумажных предприятий применяется обычно насыщенный или перегретый пар давлением 3–3,5 кгс/см2, однако зачастую сушка бумаги осуществляется при более низком давлении пара.
Более высокую температуру сушки могут выдерживать без ущерба для качества бумага и картон из сульфатной целлюлозы и бумага из массы садкого помола, вырабатываемая на самосъемочных бумагоделательных машинах. Поэтому в целях интенсификации сушки при выработке указанных видов бумаги стали применять насыщенный пар давлением 7–8 кгс/см2 и выше, что позволило значительно сократить размеры сушильной части машин.
Скорость бумагоделательной машины . Повышение скорости бумагоделательной машины интенсифицирует процесс сушки бумаги, при этом увеличивается доля воды, испаряемой на свободных участках бумажного полотна между сушильными цилиндрами . Объясняется это сокращением времени пребывания бумаги между сушильными цилиндрами , меньшим ее охлаждением при переходе с цилиндра на цилиндр и более бурным испарением влаги по этой причине со свободной поверхности бумаги.
Кроме того, как показал И. Л. Любошиц , увеличение числа цилиндров на быстроходных машинах по сравнению с их числом на тихоходных машинах и, следовательно, увеличение числа переворачиваний бумаги к греющей поверхности цилиндров благоприятствуют выравниванию влажности бумаги по толщине, и передача тепла от стенки цилиндра бумаге улучшается
Скорость испарения влаги на свободных участках увеличивается с повышением скорости бумажной ленты также вследствие более интенсивного обдувания движущегося бумажного полотна окружающим воздухом, так как коэффициент испарения влаги со свободной поверхности материала, как известно, возрастает с увеличением скорости воздуха .
Свойства окружающего воздуха . Свойства окружающего воздуха практически не влияют на скорость сушки бумаги на нагретой поверхности сушильного цилиндра при нормальном атмосферном давлении, но влияют лишь на испарение влаги на свободных участках бумажного полотна и имеют большое значение для вентиляции бумагоделательной машины
Поэтому воздух, окружающий бумагу на свободных участках, должен быть по возможности более сухим и теплым, а межцилиндровые пространства должны хорошо вентилироваться , чтобы выделяющийся из бумаги пар не скапливался между верхним рядом цилиндров и сукном. Хорошая вентиляция бумагоделательной машины и межцилиндровых пространств интенсифицирует процесс сушки и предотвращает брак из-за конденсации паров воды и падения капель воды на бумагу.
Барометрическое давление В, при котором происходит сушка бумаги, не подвержено значительным колебаниям в обычных условиях атмосферной сушки, а потому не может оказать существенного влияния на ход процесса . Однако при сушке под вакуумом этот фактор приобретает особое значение . В современных вакуумных сушилках, работающих под разрежением 700 мм рт. ст., температура сушки снижается до 38–40° С, а расход пара на испарение 1 кг воды составляет 1,2 кг вместо 1,75 кг на обычных бумагоделательных машинах. Скорость сушки под вакуумом значительно повышается по сравнению со скоростью сушки в сушилках открытого типа, а размеры сушильной поверхности сокращаются почти вдвое.
Коэффициент теплопередачи от пара бумаге. Коэффициент теплопередачи от пара к бумаге К определяют по формуле К= 1\(1\ α1 + 1\ λ + 1\ α2 ) ккал \м2 ч С где α1 – коэффициент теплоотдачи от пара стенке сушильного цилиндра, ккал/м2·ч·°С; α2 – то же от стенки цилиндра бумаге, ккал/м2·ч·°С; δ – толщина стенки сушильного цилиндра, м; λ – коэффициент теплопроводности материала стенки, ккал/ м·ч ·°С; Термическое сопротивление чугунной стенки сушильного цилиндра не- велико, поэтому общий коэффициент теплопередачи от пара бумаге больше зависит от коэффициентов α1и α2.
Термическое сопротивление чугунной стенки сушильного цилиндра невелико , поэтому общий коэффициент теплопередачи от пара бумаге больше зависит от коэффициентов α1и α2. На величину коэффициента α1 может оказать влияние наличие в сушильном цилиндре воздуха и конденсата, а также загрязнений на внутренней поверхности стенки в виде накипи или масла. Они оказывают добавочное сопротивление передаче тепла от пара стенке и уменьшают значение коэффициента. На величину коэффициента α2 влияют загрязнения наружной поверхности стенки сушильного цилиндра, наличие воздушной прослойки и плохой контакт между стенкой цилиндра и бумагой, а также влажность и другие свойства самой бумаги.
Чистота внутренних и наружных поверхностей стенок сушильных цилиндров . Внутренняя поверхность стенки сушильного цилиндра может загрязниться вследствие образования окалины и накипи , а также заноса масла с паром. Теплопроводность масла равна 0,1–0,15 ккал/ м·ч ·°С, а накипи около 1,5–2,5 ккал/ м·ч ·°С, т. е. примерно в 25–500 раз меньше теплопроводности чугуна, поэтому эти загрязнения оказывают дополнительное термическое сопротивление и снижают коэффициент теплоотдачи пара стенке .
На наружной поверхности сушильных цилиндров, особенно первых, может образоваться слой, состоящий из частиц клея, наполнителя и волокон , если не выдерживается постепенный подъем температуры. Этот поверхностный слой на сушильных цилиндрах сильно ухудшает передачу тепла бумаге и часто служит причиной понижения ее качества, так как поверхность бумаги может оказаться поврежденной из-за ее прилипания к поверхности загрязненных цилиндров.
Для поддержания в чистоте наружной поверхности сушильных цилиндров служат шаберы . Однако основным мероприятием, предотвращающим загрязнение поверхности сушильных цилиндров, является правильный режим их нагрева.
Наличие воздуха в сушильных цилиндрах . Пар, подаваемый на сушку бумаги из котельной или из отбора турбины, всегда содержит некоторое количество воздуха. Количество несконденсированных газов в свежем паре невелико и обычно составляет 0,0025–0,005%. Однако если не принять меры к отводу воздуха из цилиндров, то содержание его в паре может достичь 10% и более, температура пара снизится примерно на 3° С, а общий коэффициент теплопередачи от пара бумаге может значительно (до 30%) уменьшиться.
Объясняется это тем, что при значительных количествах воздуха в паре воздух неравномерно распределяется в сушильном цилиндре и, по-видимому, больше скапливается у стенок сушильного цилиндра, ухудшая теплоотдачу пара стенке. Коэффициент теплоотдачи воздуха стенке цилиндра составляет всего 10–30 ккал/м2·ч·°С вместо 5000–10 000 ккал/м2·ч·°С у конденсирующегося пара.
Содержание в сушильном цилиндре воздуха в количества 2% по объему снижает коэффициент теплопередачи до 1590, а в количестве 5% – до 100 ккал/м2·ч·° С. Необходимо иметь в виду, что воздух всегда заполняет сушильные цилиндры во время простоя машины и потому при пуске ее в работу необходимо продувкой вытеснить воздух из цилиндров. Накопление воздуха в сушильных цилиндрах во время работы машины может быть предотвращено непрерывным отводом из них пара. По данным Б . М. Бакстера , содержание воздуха в паре во многом зависит от количества пара, отводимого из сушильного цилиндра. Так, при отводе пара вколичестве 10% от подаваемого в цилиндр содержание воздуха внутри сушильного цилиндра будет составлять 2,5%. Чтобы содержание воздуха не превышало 1%, нужно непрерывно отводить из цилиндров 25% от общего количества пара, подаваемого в них.
Наличие конденсата в сушильных цилиндрах . Конденсат в су- шильных цилиндрах скапливается из-за неисправного состояния или неудовлетворительной работы конденсатоудаляющих устройств. Наличие конденсата в сушильных цилиндрах приводит к резкому ухудшению теплоотдачи пара стенке цилиндра, понижению ее температуры и снижению скорости сушки бумаги. Наряду с этим при работе на относительно высоких скоростях машины внутри сушильных цилиндров может образоваться конденсатное кольцо.
Исследования Н. А. Василевского и В. Малкина показали, что образование внутри сушильного цилиндра конденсатного кольца, вращающегося вместе с цилиндром, но с несколько меньшей скоростью, происходит при некоторой скорости бумагоделательной машины и зависит от количества конденсата в цилиндре, диаметра цилиндра и шероховатости его стенок .
При понижении скорости цилиндра ниже критической конденсатное кольцо разрушается. Установлено также, что образовавшееся в цилиндре конденсатное кольцо может расти до некоторой критической толщины, по достижении которой оно разрушается. Исследования показали, что явление образования конденсатного кольца в сушильных цилиндрах быстро- ходных машин наблюдается чаще, чем предполагалось. Поэтому успешное решение проблемы удаления конденсата из сушильных цилиндров быстроходных бумагоделательных машин имеет большое значение.
При наличии конденсатной пленки внутри сушильного цилиндра резко снижается коэффициент теплоотдачи пара стенке цилиндра. По данным Н . А. Василевского , величина коэффициента теплоотдачи α1 в зависимости от толщины конденсатной пленки δ при температуре конденсата110° С, наличии воздуха в паре в количестве 0,7% и скорости бумагоделательной машины 300 м/мин изменяется следующим образом:
Толщина конденсатной пленки δ, мм 1 2 3 4 Коэффициент теплоотдачи α1, ккал/м2·ч·°С 554 291 189 142 П. А. Жучков считает, что из-за разности скоростей вращения во- дяного кольца и стенки цилиндра и наличия градиента скоростей внутри самого водяного кольца теплопроводность конденсатной пленки выше, чем неподвижного слоя воды. Согласно его расчетам коэффициент теплоотдачи пара стенке при толщине конденсатной пленки 1 мм составляет 1100 ккал/м2·ч·°С, т. е. в 2 раза больше, чем по данным Н.А. Василевского
Современные конденсатоудаляющие устройства позволяют достаточно полно выводить конденсат из сушильных цилиндров, однако в сушильных цилиндрах быстроходных машин всегда образуется конденсатная пленка толщиной 1–2 мм, которая существенно снижает коэффициент теплопередачи от пара бумаге. Если бы удалось добиться капельной конденсации пара на стенках сушильного цилиндра, коэффициент передачи тепла от пара стенке значительно увеличился бы.
Для этого внутреннюю поверхность цилиндра надо покрыть веществами, имеющими малое сродство с конденсатом и большое с металлом. В качестве таких веществ могут быть использованы амины с числом углеродных атомов 10–18 в молекуле
, например октаэтанамин и его ацетатные соли. Амины образуют на поверхности стенки цилиндра мономолекулярную пленку, которая из-за ее малой толщины не влияет на теплопередачу и предохраняет цилиндр от коррозии. Аминные пленки на внутреннюю поверхность сушильного цилиндра можно нанести, добавляя амины в котловую воду или непосредственно в паровую линию в количестве 2–5 мг/л
Начальная влажность бумаги. Как уже было указано, влажность бумаги после прессовой части машины может колебаться в очень широких пределах , от 73 до 57% (относительная сухость 27–43%), в зависимости от вида бумаги, рабочей скорости и типа машины. Следовательно, количество воды , испаряемой на сушильной части машины, может изменяться более чем в 2 раза – от 2,52 до 1,2 кг на 1 кг бумаги. По данным ряда исследователей, коэффициент теплоотдачи α2 стенки сушильного цилиндра бумаге изменяется по ходу бумажной ленты в сушильной части бумагоделательной машины от 300–600 до 80–200 ккал/м2·ч·°С.
А. Ниссен и Д. Хансен при сушке толстой бумаги на опытном сушильном цилиндре установили, что коэффициент теплоотдачи от стенки цилиндра бумаге изменялся, в зависимости от влагосодержания, от 366 до 146 ккал/м2·ч·°С. Несмотря на это, при эксплуатации бумагоделательной машины всегда стремятся максимально удалить влагу из бумаги отжимом , чтобы снизить расход пара на сушку, повысить производительность и уменьшить размеры сушильной части машины.
Контакт бумаги с греющей поверхностью цилиндра . Для создания хорошего контакта бумаги с греющей поверхностью сушильных цилиндров на бумагоделательной машине служат сушильные сукна. Они прижимают бумагу к поверхности цилиндров и тем самым способствуют лучшей передаче тепла. Кроме того, сушильные сукна, прижимая бумагу к гладкой поверхности цилиндров, уменьшают усадку бумаги и предотвращают ее коробление и сморщивание при сушке. Большое значение имеет степень натяжения сушильных сукон. При слабом натяжении сукон испарение влаги в сушильной части машины ухудшается
Натяжение сушильных сукон часто повышают для того, чтобы усилить сушку бумаги при недостатке подачи пара на машину, а также для того, чтобы снизить деформацию бумаги и увеличить ширину бумажного полотна на накате . Для нормального процесса сушки бумаги на машине необходимо, чтобы влажность сушильных сукон была значительно ниже влажности высушиваемой бумаги .
При повышении влажности сукна скорость сушки бумаги под ним снижается. Изменение общей скорости сушки бумаги, а также скорости сушки под сукном и на свободных участках в зависимости от влажности сукна показано на рис. (по данным И. Л. Любошица ).
Зависимость скоростисушки бумаги от влажностисукна (по данным И. Л. Любошица )1 – испарение воды под сукном;2 – то же на свободных участках;3 – общее испарение воды
На картоноделательных машинах и пресспатах при выработке толстого картона и целлюлозной папки сушильные сукна обычно не применяются. Контакт картонного полотна с греющей поверхностью сушильных цилиндров в этом случае достигается более сильным натяжением полотна , а также прижимом его к поверхности сушильного цилиндра специальными прижимными валиками.
На самосъемочных бумагоделательных машинах особенно хороший контакт бумаги с греющей поверхностью большого сушильного цилиндра достигается сильным прижимом мокрого бумажного полотна гладильным прессовым валом. При этом бумага прилипает к поверхности сушильного цилиндра , и сушильное сукно не требуется . Благодаря хорошему контакту бумаги с цилиндром, а также некоторым другим особенностям сушки на самосъемочных машинах, о чем сказано подробнее в главе XVIII, скорость сушки здесь особенно велика. Значительно улучшается контакт бумаги с сушильными цилиндрами при использовании на бумагоделательных машинах сглаживающих прессов, что также способствует повышению скорости сушки.
Свойства бумаги . Физико-химические свойства бумаги оказывают значительное влияние на процесс сушки бумаги. Из них больше всего влияют толщина и вес 1 м2 бумаги и степень помола массы, из которой изготовлена бумага. Меньше влияет композиция бумаги : род волокон, содержание проклеивающих и наполняющих веществ . Как показали В. В. Красников и А . В. Лыков, толщина бумаги является одним из существенных факторов контактной сушки бумаги при высоких температурах греющей поверхности.
Скорость сушки понижается с увеличением толщины бумаги. Влияние этого фактора усиливается с повышением температуры греющей поверхности. Это объясняется тем, что с увеличением толщины возрастает сопротивление бумаги прохождению паров из контактного слоя к наружной поверхности и замедляется теплообмен.
Вторая причина замедления процесса сушки заключается в смещении критической точки в сторону большей влажности при повышении толщины бумаги при изменении толщины бумаги с 0,16 до 1,65 мм критическое влагосодержание возрастает примерно с 45 до 100 %. Благодаря увеличению критического влагосодержания с повышением толщины бумаги первый, наиболее эффективный период сушки сокращается, а второй период замедленной сушки возрастает , что приводит к общему замедлению процесса сушки бумаги .
Д. М. Фляте исследовал влияние толщины на скорость сушки более тонких образцов бумаги и установил, что это влияние проявляется здесь в менее резкой форме. Для вычисления скорости сушки бумаги в зависимости от веса 1 м2 Д. М. Фляте предложил следующую эмпирическую формулу : (115 ) Θ = k , где – время сушки, сек; k1 – коэффициент, зависящий от температуры сушильной поверхности; – вес 1 м2 бумаги, г.
Вторым важным свойством бумаги, влияющим на процесс сушки, является степень помола массы. Производительность сушильной части бумагоделательной машины всегда ниже при жирном, чем при более садком помоле массы. Это происходит по ряду причин. Во-первых, бумага жирного помола обладает более плотной структурой листа, вследствие чего сопротивление ее тепло- и массообмену выше, чем в более рыхлом листе , изготовленном из массы более садкого помола. Во-вторых, у бумаги с более жирным помолом массы наблюдается смещение критической точки в сторону большего влагосодержания , из-за чего второй период падающей скорости сушки возрастает, а наиболее эффективный, первый, период сушки сокращается.
В-третьих, плотную бумагу из массы жирного помола сушат при более низкой температуре с целью обеспечения необходимых свойств бумаги: объемного веса, прочности, воздухопроницаемости и др. В результате всех этих причин скорость сушки бумаги из массы повышенной степени помола понижается. Зависимость скорости контактной сушки бумаги из 100% беленой сульфитной целлюлозы от степени помола массы для лабораторных условий сушки, по данным Д. М. Фляте , представлена графически на рис. 197. Из этого рисунка видно, что производительность сушки резко снижается при помоле свыше 60° ШР.
Влияние степени помола массы на скорость контактной сушки бумаги (по данным Д. М. Фляте )
Композиция бумаги и свойства волокнистых материалов, из которых изготовлена бумага, также влияют на процесс сушки. Д. М. Фляте исследовал контактную сушку различных образцов бумаги, изготовленных из массы различной композиции при степени помола 45° ШР. При этом он установил , что быстрее всех высыхает бумага, содержащая в композиции хлопковое волокно, несколько медленнее сохнет бумага из целлюлозы с древесной массой и еще медленнее чисто целлюлозная бумага. Различия вскорости сушки, полученные в указанных опытах, были невелики. Однако они увеличиваются с повышением степени помола массы.
Отмеченные выше различия в скорости сушки волокнистых материалов обусловлены главным образом структурой волокон и их химическим составом , зависящим от природы волокон и степени их очистки. Наибольшее значение в этом отношении имеет наличие гидрофильных спутников целлюлозы – гемицеллюлоз ( пентозанов , гексозанов и полиуронидов ), от которых зависит гидратационная способность целлюлозы, образование физико-химических связей между волокнами в бумаге и ее усадка при сушке.
По этой причине бумага, изготовленная из целлюлозы с высоким содержанием гемицеллюлоз, дающая более плотный по структуре лист с большим объемным весом, сохнет медленнее, чем бумага из облагороженной целлюлозы или хлопка, из которых получается более пухлый и пористый лист.
Бумага из древесной массы сохнет значительно быстрее целлюлозной при той же степени помола (65–75° ШР), так как в неочищенном древесном волокне содержится много лигнина, который снижает гидратационные свойства волокна, препятствует образованию водородных межволоконных связей , придает волокнам жесткость, из-за чего усадка бумаги при сушке уменьшается , а сам лист получается более пухлым, пористым и с меньшим объемным весом. Введение смоляного клея в бумажную массу не оказывает влияния на скорость сушки бумаги, а введение минеральных наполнителей несколько ускоряет этот процесс.
Различия в скорости сушки бумаги разной композиции и ассортимента еще больше усиливаются теми требованиями, которые предъявляются к качеству того или иного вида бумаги. Так, одни виды бумаги должны иметь пухлый и пористый лист, обладать хорошей впитывающей или даже фильтрующей способностью; другие – плотную структуру, больший объемный вес или должны быть прозрачными, третьи – хорошую проклейку и т. п. В соответствии с требованиями к бумаге необходимо подобрать не только композицию и помол массы, но и соответствующий температурный график нагрева сушильных цилиндров на машине.
Например, при получении пухлой и пористой бумаги с хорошей впитывающей способностью можно применять более высокую температуру сушки, чем при выработке бумаги с плотной структурой. Такую бумагу надо сушить при более низкой температуре . При выработке клееной бумаги температуру сушильных цилиндров необходимо повышать более осторожно, чем при выработке слабоклееных или неклееных видов бумаги. Следовательно, для каждого вида бумаги требуются определенный режим сушки. Эти условия наряду со свойствами волокна и композицией бумаги определяют величину съема воды с сушильной поверхности бумагоделательной машины.
Влияние конструктивных элементов сушильной части . На процесс сушки бумаги влияют и конструктивные элементы сушильной части машины : диаметр сушильного цилиндра, расстояние между сушильнымицилиндрами , или длина участков свободного хода, и др. С увеличением диаметра сушильного цилиндра повышается толщина его стенки, в связи с чем возрастает ее термическое сопротивление. От диаметра и количества сушильных цилиндров на машине зависит число промежутков между цилиндрами. Как было указано, изменение числа соприкосновений бумаги с греющей поверхностью сушильных цилиндров влияет на распределение влаги в бумаге и на коэффициент теплоотдачи стенки бума- ге . При большем диаметре сушильных цилиндров и меньшем числе соприкосновений бумаги с цилиндрами наружные слои бумаги остаются более сухими , и коэффициент теплоотдачи стенки цилиндра бумаге понижается, вследствие чего скорость сушки уменьшается.
По данным Е. К. Громцева [10], при повышении скорости бумагоделательной машины с 50 до 300 м/мин, а следовательно, и при соответствующем пропорциональном увеличении количества соприкосновений бумаги с греющей поверхностью и числа участков свободного хода бумаги доля влаги , испаряемой на свободных участках, возрастает примерно с 15 до 40%.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Исследование процесса сушки бумаги на сушильной части бумагоделательной машины показывает, что изменение влажности бумажного полотна и количество испаряемой воды в разных стадиях сушки зависят от целого ряда факторов: свойств самой бумаги и температурного режима сушки, начальной и конечной влажности бумажного полотна, конструктивных особенностей машины и некоторых других причин, влияющих на коэффициент теплопередачи , о которых уже говорилось.
Чтобы рассмотреть основные показатели процесса сушки бумаги, дадим определение понятиям о б щ а я и р а б о ч а я поверхности сушильных цилиндров
Общей поверхностью сушильных цилиндров называют боковую поверхность всех бумагосушильных цилиндров машины, а рабочей, или полезной, поверхностью нагрева бумаги на цилиндрах – только ту часть боковой поверхности сушильных цилиндров, которая непосредственно соприкасается с бумагой. Общая боковая поверхность Fо и рабочая поверхность Fр сушильных цилиндров выражаются следующими формулами :
F 0 = π dln = π lΣd м2 Fр = Lb = FK1 м2 где d – диаметр бумагосушильного цилиндра, м; n – число бумагосушильных цилиндров; l – длина сушильного цилиндра, м; b – средняя ширина бумажного полотна в сушильной части машины (для упрощения ее принимают равной ширине необрезной бумаги на накате), м; L – длина всех дуг охвата бумагой сушильных цилиндров, м.
Обычно отношение дуги охвата бумаги l к длине окружности цилиндра (К2 = l\ π d ) составляет 0,60–0,67. Отношение рабочей сушильной поверхности к общей ( К 1 = Fp \F 0 ) у разных машин колеблется в пределах 0,5–0,64 , или в среднем К1=0,58÷0,6; К2=0,63÷0,64 .
На основании многочисленных испытаний сушильной части бумагоделательных машин можно сделать следующие выводы: 1. Средняя температура поверхности сушильных цилиндров при использовании пара давлением не свыше 3–3,5 кгс/см2 при выработке большинства видов бумаги находится в пределах 80–110° С .
При этом она выше при изготовлении слабоклееной, неклееной и пухлой бумаги и ниже при выработке хорошо клееной, плотной и прочной бумаги, когда требуется более осторожный подъем температуры цилиндров и недопустима в целях сохранения свойств бумаги высокая температура их сушильной поверхности .
2. Температура бумажного полотна, измеряемая на участках между сушильными цилиндрами, равняется обычно 50–70° С. При переходе с цилиндра на цилиндр бумага охлаждается от 4–5 до 13–15° С и более, в зависимости от времени пребывания бумаги на участках свободного хода, т. е. от скорости машины .
3. Температурный перепад между поверхностью сушильного цилиндра и бумагой обычно составляет 20–30° С. Этот перепад повышается с увеличением скорости машины и температуры греющего пара в сушильных цилиндрах .
4. Наибольшее испарение влаги из бумаги наблюдается в середине сушильной части машины, а наименьшее – в конце. Различен и расход пара в разных частях сушильной части машины . Однако эти два показателя идут не параллельно друг другу: максимум потребления пара сушильными цилиндрами смещается в сторону конца сушильной части машины.
Таким образом, можно считать, что потребление пара в средних сушильных цилиндрах на 40% выше среднего потребления пара всей сушильной частью машины. Поэтому при расчете паропроводов, подводящих пар к отдельным цилиндрам, следует учитывать это обстоятельство и исходить не из среднего потребления пара, а из повышенного расхода пара в средних цилиндрах .
5. Термический коэффициент полезного действия сушильной части бумагоделательной машины η, определяемый как отношение полезно затрачиваемого тепла Qп на сушку бумаги к общему расходу тепла Qо , постепенно снижается от 76–77% в начале до 50% и даже ниже в конце сушки бумаги, составляя в среднем 65–70%.
Все сказанное выше справедливо для сушильных частей с открытым вентиляционным колпаком. При закрытых вентиляционных колпаках термический коэффициент полезного действия сушильной части на 10–15% выше .
6. Перепад между температурой греющего пара внутри сушильного цилиндра и температурой поверхности стенки цилиндра составляет 15–16° С, что значительно превышает падение температуры вследствие термического сопротивления только металлической стенки цилиндра и указывает на то, что на это падение температуры большое влияние оказывают другие факторы (наличие загрязнений, воздуха и конденсатной пленки внутри цилиндра )
В табл . показана зависимость между температурой и давлением на- сыщенного пара и температурой поверхности сушильного цилиндра, по данным Ф. Мюллера
Зависимость между температурой и давлением насыщенного пара и температурой поверхности сушильного цилиндра Давление пара, кгс/см2 Температура пара, °С Температура стенки цилиндра, °С 1,5 111,0 95 1,7 114,5 98 2,0 119,6 104 2,2 122,6 107 2,4 125,5 110 2,6 128.5 112 2,8 130,5 115 3,0 132,9 117 3,5 138,0 122
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Назначение машинного каландра состоит в том, чтобы разгладить , уплотнить бумагу и придать ей лоск 7–10° по Кизеру ( машинная отделка ). При наличии двух машинных каландров и холодильных цилиндров с увлажнением возможно получение непосредственно на бумагоделательной машине бумаги с лоском 11–13° по Кизеру .
Обычно каландр состоит из пяти-восьми валов. При воздушной заправке бумагу направляют в зазор между первым и вторым валами, при этом устанавливают четное число валов в каландре. При ручной заправке удобнее заправлять бумагу через первый верхний вал, вследствие чего должно быть нечетное число каландровых валов. Чаще всего на машине устанавливают один каландр, реже два машинных каландра последовательно один за другим. Подшипники валов в каландре размещают между двумя параллельными станинами, либо консольно на рычагах, укрепленных шарнирно в односторонней станине.
На малых машинах подъем и опускание валов, а также их запрессовка осуществляются вручную при помощи маховичка или цепной передачи. На больших машинах эти операции осуществляются при помощи электродвигателя , пневматического или гидравлического поршневого устройства, расположенного на станинах каландра и связанного с подшипниками верхнего вала. Линейное давление в зазоре нижних валов восьмивального каландра достигает 80 кгс/см .
Валы каландров изготовляют из высококачественного закаленного чугуна , тщательно шлифуют и полируют. Нижний вал, воспринимающий на себя всю нагрузку, делают наибольшего диаметра и шлифуют с бомбировкой для компенсации прогиба. Верхний и второй снизу также изготовляют несколько большего диаметра, чем остальные валы каландра. Все каландровые валы на малых машинах шлифуют обычно цилиндрическими, а на больших машинах – с небольшой, постепенно увеличивающейся бомбировкой от верхнего вала к нижнему. Величина бомбировки валов каландра зависит от размеров валов, их длины и диаметра, а также от нагрузки. Она возрастает с повышением длины вала, количества валов в каландре (т. е. с увеличением нагрузки) и уменьшается с увеличением диаметра вала
Практические данные о величине бомбировки каландровых валов Наименование показателей Номер вала 1 2 3 4 5 6 7 8 Газетная бумага, рабочая скорость 370 м/мин, ширина сетки 5950 мм Диаметр вала, мм 508 406 406 406 406 406 508 810 Бомбировка , мм 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,27 1,10 Типографская № 2, рабочая скорость 300 м/мин, ширина сетки 4700 мм Диаметр вала, мм 500 400 400 400 400 400 500 750 Бомбировка , мм 0 0 0 0 0 0 0 0,80 Высокосортная бумага, рабочая скорость 40—120 м/мин, ширина сетки 3600 мм Диаметр вала, мм 400 300 300 300 300 400 600 -- Бомбировка , мм 0 0 0 0 0 0 0,52 -- Чертежная, рабочая скорость 30—40 м/мин, ширина сетки 1900 мм Диаметр вала, мм 300 250 250 250 250 300 400 -- Бомбировка , мм 0 0 0 0 0 0 0,20 --
Каландр приводится в движение через нижний вал. Остальные валы вращаются за счет трения от нижнего вала. Подшипники валов, а иногда и станины каландров имеют водяное охлаждение. Некоторые валы в каландре изготовляют пустотелыми и к ним через полую цапфу подводят пар для обогрева или воду для охлаждения. Обогрев валов целесообразен для бумаги, требующей хорошего уплотнения и гладкости. Все валы каландров снабжают шаберами со сменными гибкими лезвиями из бронзы или мягкой стали. Шаберы служат для очистки валов от приставших кусочков бумаги, загрязнений и предотвращают намотку бумаги на валы при ее заправке и обрывах .
Шаберы снабжены приспособлением для подъема и опускания во время работы машины, благодаря чему уменьшается износ валов. В местах ввода бумаги между валами устанавливают трубы или угольники, чтобы создать условия безопасной работы для обслуживающего персонала. Во избежание образования складок и морщин бумагу перед каландром сильно натягивают и разглаживают при помощи равномерно выгнутой пустотелой трубы (дуги). При помощи червячной передачи дугу можно поворачивать и тем самым менять ее изгиб в месте соприкосновения с бумажным полотном, подбирая оптимальные условия для равномерного его натяжения . В последнее время с этой целью стали применять вращающиеся дугообразные валики типа
У современных быстроходных машин подшипники каландровых валов , как и подшипники сушильных цилиндров , имеют принудительную автоматическую смазку. Установка состоит из резервуара для масла, насоса и системы маслопроводов, а также фильтров для очистки масла и холодильника для его охлаждения .
Заправка бумаги в каландр на тихоходных машинах выполняется вручную , а на быстроходных – сжатым воздухом. Для этой цели перед каландром устанавливают два направляющих медных лотка и систему воздушных сопел. Сначала заправляют в верхние валы полоску бумаги шириной 10–20 см, а затем ее сводят в бумажное полотно при помощи передвижного ножа , расположенного у последнего сушильного цилиндра. В последнее время разработаны устройства для изменения кривизны нижнего каландрового вала (« Accra Nip » и « Flexiroll »).
Для этого цапфы нижнего вала удлинены и на них на расстоянии 600–900 мм от оси главных подшипников смонтировано по одному радиально-сферическому подшипнику , заключенному в корпус и жестко связанному со штоком поршня вертикального гидравлического цилиндра, установленного жестко на фундаменте . Цилиндры можно регулировать независимо друг от друга, благодаря чему они и создают усилия, направленные вверх и вниз. Нижнему валу придают какую-то среднюю бомбировку и в случае увеличения или уменьшения давления при каландрировании от среднего вала, на которое рассчитана его бомбировка , компенсируют ее увеличением или уменьшением кривизны вала с помощью описанной гидравлической системы . Время, необходимое для регулирования бомбировки , около 10 мин
Вторым интересным новшеством в этой области является применение «плавающего » каландрового вала без бомбировки . Этот вал имеет наружную рубашку, вращающуюся вокруг неподвижного массивного сердечника . В зазоре между сердечником и рубашкой находится масло, давление которого поддерживается постоянным. Подобный вал с 1962 г. работает на одном из предприятий США
Охлаждение валов при работе каландра. При работе быстроходных машин каландровые валы сильно разогреваются от трения. При наличии в бумажном полотне неоднородных полос по весу 1 м2 и влажности каландровые валы разогреваются неравномерно . Валы претерпевают различное линейное расширение и отжимают бумажное полотно при каландрировании неодинаково, вследствие чего бумага получается неравномерной толщины.
Расчеты показывают, что разница в температуре в двух соседних точках каландровых валов 5–6° С приводит к выработке газетной бумаги различной толщины (отличающейся на 20%). Поэтому каландровые валы при работе машины необходимо охлаждать. Установка для охлаждения валов состоит из вентилятора и воздуховодов с соплами, через которые холодный воздух поступает на открытые поверхности трех нижних валов. Для регулирования охлаждения по ширине вала сопла делаются поворотными и снабжаются дроссель-клапанами.
Для охлаждения валов раньше применяли низконапорные вентиляторы , рассчитанные на давление не выше 200–250 мм вод. ст. Теперь устанавливают вентиляторы давлением от 500 до 1400 мм вод. ст. На современных быстроходных машинах для охлаждения валов применяют очищенный от пыли воздух, который в специальных установках охлаждается до 4–7° С. Работой установки управляют со щита, расположенного у наката. Потребляемая мощность установки от 7,5 до 55 квт, в зависимости от ширины машины [
Работа машинного каландра. Для придания бумаге хорошего машинного лоска и гладкости необходимы равномерная влажность по всей ширине бумажного полотна, хороший просвет, достаточное давление и удовлетворительное состояние валов каландра. Чтобы при работе каландра избежать образования морщин, складок и обрывов бумаги, бумажное полотно должно быть сильно и равномерно натянуто перед каландром и не должно иметь надрывов и сгустков массы, которые легко могут привести к обрыву бумаги.
Пересушенная бумага (влажность 3–4%) становится ломкой, рвется в каландре и плохо разглаживается. Слишком влажная бумага легко раздавливается между валами и приобретает прозрачные на просвет пергаментированные пятна, напоминающие масляные, которые в отраженном свете кажутся темными. При неравномерном отливе бумажного полотна по ширине в бумаге могут появиться продольные полосы, отличающиеся весом 1 м2, а следовательно, и влажностью, так как тонкие полосы просыхают быстрее, чем толстые . Таким образом, создаются условия для выработки бумаги с неоднородной гладкостью и лоском. Чтобы не допустить потемнения влажных полос бумаги и избежать выработки брака, сушильщик увеличивает приток пара в сушильные цилиндры, при этом остальная часть бумаги пересушивается .
Плохой облачный просвет бумаги, наличие скоплений волокон и сгустков также приводят к браку бумаги на каландрах, так как сгустки волокон раздавливаются валами, и бумага получается пятнистой. Чем ровнее просвет бумаги и чем она однороднее, тем с большей влажностью можно направить бумагу на каландр и придать ей хорошую гладкость и лоск. Крупные сгустки и комочки массы, а также слизь, которые не успевают просыхать в бумажном полотне, раздавливаются валами, при этом образуются крупные пергаментированные пятна и сквозные отверстия. Прилипшие к валам каландра кусочки массы также маркируют бумагу. Поэтому необходимо внимательно следить за состоянием и чистотой каландровых валов и своевременно очищать их от приставшей бумаги и загрязнений тряпкой, смоченной керосином или водой.
При обрыве бумажного полотна на машине конец бумажного полотна проходит через сушильную часть без натяжения и потому плохо просыхает . Такую бумагу ни в коем случае нельзя пропускать через каландровые валы , ее надо оборвать перед каландром. При пуске бумагоделательной машины после остановки нельзя заправлять бумагу в валы каландра до тех пор, пока она не будет иметь нормальную сухость. Сырая бумага прилипает к валам, может намотаться на них, что приведет к простою машины, так как забитые бумагой валы трудно очистить и к тому же можно повредить их. При прохождении через каландр бумажного полотна, ослабленного «выдиркой», необходимо несколько уменьшить натяжение полотна, так как иначе оно может оборваться.
При работе с вылегченными (приподнятыми) валами во время обрыва бумажного полотна верхние валы могут остановиться. В этом случае во избежание повреждения валов необходимо своевременно опустить их и снова приподнять, когда бумага будет заправлена. Если износ, шлифовка или разогрев валов неравномерны, наблюдается образование более плотных (тугих) и более слабых мест в рулоне бумаги, что зависит от неравномерной толщины бумаги, выходящей из каландра. Чтобы выровнять толщину бумаги, разогревают валы в том месте, где идет тугая полоса, или охлаждают струей холодного воздуха валы против слишком сдавленных мест в рулоне бумаги. Местный разогрев приводит к увеличению , а охлаждение – к уменьшению диаметра вала. Местный разогрев валов можно осуществлять при помощи индукционных токов или трения о вал суконки, прижимаемой к поверхности вала ручным суппортом, перемещаемым в колодке шабера каландра.
Для успешной работы машинных каландров большое значение имеют тщательная шлифовка и правильная бомбировка валов. Неправильный выбор величины бомбировки валов приводит к браку, так как бумага по ширине полотна приобретает неодинаковую толщину. При чрезмерной бомбировке валов бумага сильно отжимается посередине, а при недостаточной – по краям. Шлифовка валов каландра – очень трудоемкая операция и занимает много времени. Шлифуют валы на специально оборудованном шлифовальном станке, позволяющем придавать валу любую величину бомбировки . Шлифовальный станок устанавливают на хорошем фундаменте, в изолированном помещении, чтобы он не испытывал сотрясений и вибраций от работающих рядом станков и машин.
Отшлифованные валы каландров собирают в батарею на стенде, тщательно проверяют на свет прилегание их друг к другу, пользуясь электрической лампочкой. При наличии просветов между валами дефектные валы снова перешлифовывают. Срок службы батареи валов каландра различен и зависит от скорости машины и степени износа валов. Новые валы работают без шлифовки от полугода до года и более. Изношенные валы, подвергавшиеся многократной шлифовке, у которых верхний, закаленный, слой чугуна уже сточен, работают значительно меньше.
Быстрее всего изнашиваются концы валов, не покрытые бумагой, вследствие того, что на концах шаберов скапливаются пыль и песок, которые действуют на вал, как абразивный материал. При износе концов валов нельзя переходить на выработку бумаги более широкого формата, так как кромки бумаги в этих местах пойдут более толстые и будут разрываться при намотке рулона. При шлифовке таких валов приходится стачивать много металла, что ускоряет их износ и уменьшает срок службы. Для предотвращения быстрого износа концов валов целесообразно устанавливать над верхним валом суконки (фитили) и периодически смачивать их керосином.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Под о т д е л к о й бумаги обычно подразумевают операции, завершающие процесс производства бумаги. К ним относят: каландрирование бумаги, осуществляемое с целью уплотнения, сглаживания и придания поверхности бумаги определенной структуры после предварительного увлажнения и кондиционирования; продольную резку бумаги на рулоны и на бобины разрезание бумаги на листы; сортировку и упаковку бумаги
Наряду с указанными выше основными операциями отделки бумаги существуют еще специальные с целью придания бумаге особых свойств: паро- ,водо- и жиронепроницаемости , улучшенных печатных свойств, гладкости, блеска и внешнего вида, придания бумаге светочувствительности, негорючести , антикоррозионных свойств, бактерицидности, приклеиваемости и др. Эти операции относят к о б р а б о т к е , или о б л а г о р а ж и в а н и ю , бумаги. К ним относятся: поверхностная проклейка, пропитка, поверхностная окраска или мелование бумаги, нанесение на поверхность бумаги различных синтетических полимеров, восковых расплавов, окрашивающих составов, светочувствительных эмульсий, пленок и металлической фольги, гуммирование , крепирование , тиснение, армирование и другие операции.
Кроме операций облагораживания, при которых бумага приобретает только новые свойства, различают еще и операции п е р е р а б о т к и бумаги, в результате которых бумага превращается в новой изделие. К ним относят производство фибры, растительного пергамента, бумажной пряжи, бумажных литых изделий, тетрадей, конвертов, мешков и пр. Некоторые виды обработки и переработки бумаги осуществляются на фабриках , вырабатывающих бумагу, но чаще всего они выполняются на специализированных предприятиях.
Бумага в зависимости от назначения может быть изготовлена с машинной гладкостью или матовой. Если требуется уплотненная бумага с хорошей гладкостью и высоким лоском, то ее после соответствующего увлажнения на самой машине или специальных станках подвергают каландрированиюна суперкаландре . Таким образом, бумагу вырабатывают матовую, с машинной гладкостью или каландрированную. Затем бумагу разрезают на листы или на рулоны. Ролевую бумагу разрезают на более узкие ленты на ленточных или бобинных станках. Бумагу, разрезанную на листы на саморезках , сортируют, комплектуют в пачки и упаковывают
Бумага, изготовленная на бумагоделательной машине, даже после пропуска через машинный каландр не обладает достаточно гладкой поверхностью , необходимой для лучших сортов писчей и бумаги для печати. Такая бумага обладает малым объемным весом и повышенной толщиной. Книги, отпечатанные на подобной бумаге, получаются толстыми и неудобными в обращении , а сама печать недостаточно четкой. Установка двух машинных каландров на одной машине хотя и позволяет выпускать бумагу более высокой гладкости, однако ее качество все-таки значительно ниже, чем бумаги, пропущенной через суперкаландр , так как жесткие металлические валы машинного каландра часто раздавливают скопления волокон, вызывая появление различных дефектов в бумаге и ухудшение ее внешнего вида
Каландрирование может преследовать следующие цели: придание бумаге гладкой поверхности и лоска, уплотнение, снижение толщины и повышение объемного веса, выравнивание бумаги по толщине, придание ей прозрачности и, наконец, нанесение на поверхность бумаги рельефного рисунка . Последняя операция выполняется на специальных сатинировальных станках для тиснения. Придание гладкой поверхности бумаге начали практиковать еще в конце XVIII в., когда англичанин Тэрнбул предложил для этой цели прессовать бумагу между двумя листами лощеного картона. Этот способ применяют и в настоящее время для разглаживания и выравнивания помятых листов ценной документной бумаги.
Еще ранее (примерно с XV в.) для уплотнения бумаги стали применять двухвальные каландры-сатинеры с цинковыми листами или листами прессшпана , между которыми помещали бумагу. Суперкаландры для лощения ролевой бумаги стали применяться в 1860 г. В настоящее время имеются следующие типы каландров: для отделки писчей бумаги и бумаги для печати; для отделки окрашенной с поверхности бумаги; для технических видов бумаги, требующих сильного уплотнения ; фрикционный каландр; для тиснения бумаги и для отделки бумаги в листах .
Более подробно суперкаландр описан ниже. Здесь отметим, что по своей конструкции он сходен с машинным каландром и отличается от него главным образом наличием валов с бумажной набивкой, называемых условно бумажными валами, которые чередуются с металлическими. Благодаря наличию эластичных бумажных валов бумага не раздавливается при каландрировании и приобретает хорошую гладкость и лоск.
дрировании и приобретает хорошую гладкость и лоск. Как показано на рис ., предварительно увлаженная бумага с валика, установленного на раскате, непрерывной лентой пропускается через валы каландра сверху вниз и, пройдя их, наматывается на накате. Свойства поверхности бумаги при каландрировании принято оценивать по двум основным показателям: гладкости и лоску. Лоск бумаги, или ее блеск , характеризует способность поверхности бумаги отражать световые лучи . Это оптическое свойство бумаги не характеризует полностью гладкости бумаги. Для определения лоска применяют аппараты Кизера , Ингресоля , фотометр Оствальда , аппарат Герца и некоторые другие. В первых двух аппаратах определяют количество света, поляризированного поверхностью бумажного листа, по отношению ко всему падающему на эту поверхность свету .
Суперкаландр : 1 – разматываемой рулон; 2 – расправляющая дуга; 3 – разгонный валик; 4 – верхний вал; 5 – набивной вал; 6 – металлический вал; 7 – нижний вал; 8 – бумаговедущий валик; 9 – расправляющая дуга; 10 – накат; 11 – наматываемый рулон; 12 – механизм прижима и подъема валов; 13 – подъемник для заправки бумаги; 14 – станина каландра
В других двух аппаратах определяют соотношение зеркально и рассеянно отраженного света. Для определения гладкости бумаги применяют приборы Бекка , Бендстена , Чепмена, а также профиломеры . Действие первого , наиболее распространенного у нас прибора основано на измерении времени (сек) прохождения воздуха через поверхность соприкосновения гладкой пластинки и бумаги при определенном перепаде давления воздуха. На этом же принципе основано и действие прибора Бендстена . В приборе Чепмена степень шероховатости поверхности определяется оптическим способом . С помощью профилографа определяют микрорельеф поверхности бумаги. Этот последний метод требует много времени для испытания и применяется только при исследованиях. Показатель гладкости лучше характеризует печатные свойства бумаги, а также состояние ее поверхности, чем показатель лоска.
Теория процесса каландрирования Сущность процесса Бумага перед каландрированием должна иметь определенную влажность , поэтому ее увлажняют на накате бумагоделательной машины или на специальных увлажнительных станках. Увлажненная бумага в каландре подвергается действию давления и трения между металлическими и упругими бумажными валами, в результате чего уплотняется, изменяет толщину и объемный вес, поверхность ее становится гладкой и приобретает лоск. При сильном давлении обильно увлажненная бумага приобретает прозрачность
Давление при каландрировании влияет главным образом на степень уплотнения бумаги, изменение ее толщины, объемного веса и гладкости, а трение – на показатель лоска бумагиДавление при каландрировании зависит от количества, веса валов и силы их прижима и может изменяться в значительных приделах: от 50 до 200–350 кгс/см при каландрировании писчей и бумаги для печати и от 350 до 600 кгс/см при выработке технических видов бумаги. Давление при каландрировании исчисляется обычно в килограммах на 1 см длины вала. Удельное давление на единицу площади соприкосновения валов определить значительно труднее, так как ширина зоны прессования между валами не поддается быстрому и удобному измерению и в свою очередь зависит от твердости диаметра валов и давления прессования.
По данным Г. Б. Галеева [4], ширина зоны прессования при каландрировании пергамина для чертежной кальки между валами, набитыми асбестовой бумагой, составляет 3,5–4,5 мм. При каландрировании писчей и бумаги для печати между полушерстяными бумажными валами ширина зоны прессования достигает 7–8 мм. Между давлением прессования, рассчитанным на 1 см длины валов, и удельным давлением на единицу площади для данного каландра имеется определенная зависимость. Зависимость эта не линейная, так как с повышением давления на единицу длины зона прессования увеличивается, и удельное давление на единицу площади растет по затухающей кривой.
На эффект каландрирования большое влияние оказывает твердость бумажных валов, которая зависит от их материала и режима набивки. При использовании более твердых бумажных валов зона прессования уменьшается , а удельное давление на единицу площади увеличивается при том же линейном давлении. Трение бумаги о поверхность валов в процессе каландрирования происходит главным образом из-за радиальной деформации бумажных валов, в которые вдавливаются более твердые металлические валы. Благодаря этому окружные скорости бумажных и металлических валов разные, и бумага испытывает значительное трение в зоне прессования, а также и на поверхности валов.
Н. Е. Колчин и Г. Б. Галлеев установили, что при передаче вращения с бумажного вала на металлический происходит положительное скольжение , а при передаче вращения с металлического вала на бумажный – отрицательное . Величину скольжения определяют по формуле Δv = v1−v2 = ω1r1−ω2r2 мм/сек, где υ1 и υ2 – окружные скорости ведущего и ведомого валов, мм/сек; ω1 и ω2 – угловые скорости валов, рад/сек; r1 и r2 – радиусы валов, мм. По данным исследований Н. Е. Колчина и Г. Б. Галеева , величина скольжения валов при каландрировании пергамина колебалась в пределах ±1–6 мм/сек. По данным И. Я. Эйдлина , радиальная деформация при каландрировании писчей и бумаги для печати колеблется в пределах0,03–0,08%, в зависимости от линейного давления. При каландрировании наряду с радиальной наблюдается и незначительная тангенциальная деформация бумажных валов.
Раньше считали, что трение при каландрировании вызывается проскальзыванием валов, так как все они приводятся в движение от одного вала . Исходя из этого, долго не решались применять роликовые подшипники , так как полагали, при этом уменьшится эффект трения и ухудшится процесс каландрирования бумаги. Как оказалось впоследствии, замена подшипников скольжения на подшипника качения не ухудшила процесса каландрирования , так как эффект трения зависит главным образом от радиальной деформации бумажных валов.
Таким образом, главной причиной скольжения валов является радиальная деформация бумажных валов в зоне прессования. Величина скольжения зависит: 1) от линейного давления (скольжение возрастает по некоторой затухающей кривой вместе с ростом давления); 2) от скорости каландра (скольжение увеличивается пропорционально увеличению скорости); 3) от радиуса бумажного вала (скольжение уменьшается с увеличением радиуса вала); 4) от физико-механических свойств бумажных валов и некоторых других причин. Наибольшее влияние на величину скольжения валов суперкаландра оказывает давление, скорость и упругие свойства бумажных валов.
Исходя из изложенного, можно считать, что процесс каландрирования бумаги обусловливается комбинированным действием давления и трения в зоне прессования. Влияние давления на эффект каландрирования можно оценить временем пребывания бумаги в зоне прессования и величиной давления . Влияние трения можно оценить общей длиной скольжения валов по бумаге. Задача технолога – правильно установить соотношение между этими двумя факторами каландрирования для каждого вида бумаги с тем, чтобы получить необходимые свойства готовой бумаги.
В процесс каландрирования бумага подвергается некоторой вытяжке по длине. По ширине вытяжки обычно не наблюдается или она крайне незначительна . По измерениям Г. Б. Галеева , удлинение пергамина после каландрирования составило 0,5%, а ширина листа не изменилась. При каландрировании других видов бумаги вытяжка по длине листа может достигать 1–1,5%. Наряду с отмеченными выше факторами процесса каландрировани большое значение имеет влажность бумаги, ее композиция, температура валов , скорость каландрирования, число валов и их твердость. Рассмотрим влияние этих факторов на свойства бумаги.
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Продольно-резательный станок состоит из следующих основных частей: раската с тормозом и приспособлением для регулирования натяжения и хода бумажного полотна; наката, состоящего из двух несущих барабанов , которые приводятся в движение электродвигателем с регулируемым числом оборотов; вала, на который наматывается разрезанная бумага; резательного устройства, состоящего из нескольких пар ножей; бумаговедущих валиков, а также вспомогательного устройства для снятия готовых рулонов бумаги со станка.
Продольно-резательные станки изготовляются такой же рабочей ширины , как и бумагоделательные машины, для которых они предназначаются. Станки должны работать при скорости, превышающей рабочую скорость машины не меньше чем в 2 раза для того, чтобы успеть разрезать на рулоны бумагу , поступающую с машины. Нельзя допустить, чтобы работа бумагоделательной машины тормозилась работой станка и имела из-за него простои . Поэтому станки должны быть достаточно надежными в работе
Современные продольно-резательные станки, обслуживающие быстроходные бумагоделательные машины, проектируются на рабочую скорость1500–2500 м/мин и выше, а для обслуживания машин средних и малых скоростей – до 500–800 м/мин. Основные требования, предъявляемые к станку , сводятся к следующему. Станок должен обеспечить ровную и плотную намотку рулонов бумаги; чистый обрез кромок и отсутствие пыления при работе; отсутствие « нахлеста » разрезаемых полотен бумаги и легкое разъединение рулонов после разрезания; плавное изменение скорости и удобное обслуживание
Со времени изобретения продольно-резательного станка ( изобретен Бишофом в 1873 г.) он подвергается значительным усовершенствования. В настоящее время имеется несколько различных типов станков, отличающихся друг от друга конструкцией ножевого устройства, схемой заправки бумаги и методом ее намотки. Станки могут отличаться и некоторыми другими конструктивными особенностями, например системой тормоза, методом правки бумажного полотна, устройством для снятия готовых рулонов со станка и др.
Ножевое устройство. Оно может быть сконструировано по принципу ножниц или по принципу давления. Устройство первого типа состоит из двух круглый ножей, из которых один, тарельчатый, сидит на приводном валу, а другой, дисковый, прижимаемый к первому пружиной, обычно не имеет отдельного привода и вращается трением от первого. Этот нож рукояткой можно отводить от тарельчатого, что делается при заправке бумаги . На современных быстроходных станках дисковые ножи снабжаются индивидуальными электродвигателями для привода. Для получения чистого обреза бумаги скорость ножей должна превышать скорость бумаги на 10–20 %. Положение ножевого устройства по отношению к наматываемому рулону бумаги может быть различным
У одних станков ножи располагаются неподвижно на прямом участке между раскатом и накатом, у других – сверху, в подвижной каретке над наматываемыми рулонами, у третьих – внизу, под опорным барабаном. Ножевое устройство, работающее по принципу давления , состоит из одного клиновидного круглого ножа, расположенного над гладкой закаленной поверхностью барабана или валика, по которому движется бумага. Разрезание происходит за счет давления острой кромки ножа на бумагу на твердой поверхности опорного барабана или валика. К достоинствам этого ножевого устройства следует отнести простоту конструкции и легкое разъединение рулонов, к недостаткам быстрое тупление ножей и повреждение поверхности опорного барабана (или валика) при неточной установке ножей
Станки с ножевым устройством, работающим по принципу ножниц, больше распространены, чем станки с ножевым устройством, работающим по принципу давления. Независимо от типа ножи можно перемещать по ширине станка и устанавливать в любом месте по ширине бумажного полотна в соответствии с заданным форматом рулонов. Ножи изготовляются из хромоникелевой стали и периодически, через 4–8 месяцев, подвергаются точке .
Схема заправки бумаги. От схемы движения бумаги зависят внешний облик станка, его конструктивное оформление, расположение ножевого устройства и метод заправки бумаги. Наиболее типичной является схема с подачей бумаги сверху к наматываемому рулону (см. рис. 254), при котором ножевое устройство помещается над нажимным валиком рулона бумаги . Ножевое устройство в этом типе станка подвешено при помощи цепей и противовеса и передвигается вверх вместе с нажимным валиком при намотке по мере увеличения диаметра рулона. К недостатку этой схемы следует отнести вибрацию ножевого устройства при высоких скоростях станка и возможность осевого смещения ножей, что может привести к нахлесту бумаги и трудному разъединению рулонов после разрезания
Во второй схеме бумага подается под первый опорный барабан, а ножевое устройство расположено неподвижно на прямом участке бумаги между накатом и раскатомВ третьей схеме бумага подается снизу под второй опорный барабан наката , а ножевое устройство располагается неподвижно под вторым опорным валом. По этой схеме изготовляются станки с обоими типами ножевого устройства. При выборе схемы станка очень важно максимально приблизить ножевое устройство к наматываемым рулонам бумаги, чтобы свести к минимуму нахлесты бумажных полотен после разрезания . Кроме того, следует считаться с удобством заправки бумаги и обслуживания станка при работе
Метод намотки бумаги и типы накатов . По методу намотки бумаги различают станки с намоткой рулона на двух опорных барабанах, с осевой намоткой, а также с комбинированной намоткой по обоим методам. Первые применяются для разрезания большинства видов бумаги, вторые для разрезания картонов и бумаги, не требующей тугой намотки, а третьи для разрезания тонкой бумаги
Основной конструкцией накат продольно-резательного станка является конструкция наката с двумя опорными барабанами , на которых от трения вращается наматываемый на вал рулон бумаги. Для увеличения плотности намотки рулона бумаги установлен прижимной валик, располагающийся сверху наматываемого рулона . По мере увеличения диаметра наматываемого рулона бумаги растет и его вес , а следовательно, и давление рулона на опорные барабаны. Это приводит к некоторой неравномерности плотности намотки по диаметру рулона, для устранения которой стараются создать в начале намотки большее давление прижимным валиком , а затем постепенно снизить его так , чтобы суммарное давление бумаги на опорные барабаны от веса рулона и давления опорного валика оставалось постоянным . Эта задача сравнительно удовлетворительно решается установкой специальных разгрузочных устройств в виде подвижных грузов, вылегчивающих прижимной валик при его поднятии с увеличением диаметра рулона .
Для получения плотной намотки давление рулона бумаги на опорные барабаны должно составлять 1,2–1,5 кгс/см. Чтобы избежать брака и повысить качество намотки рулонов, второму по ходу бумаги опорному барабану придается небольшое опережение (примерно 1%). Для этой же цели в некоторых конструкциях станков в небольших пределах регулируется скорость опорных барабанов. Бумага наматывается на круглый стальной валик диаметром 70 мм, на который надевают бумажные гильзы (толщина стенки 10–12 мм), разрезанные по формату рулонов бумаги . При установке на станок концы намоточного валика помещают в подвижные подшипники, движущиеся в направляющих станины. Намоточный валик изготовляется как сплошной, так и пустотелый. Иногда его делают раздвижным из трех сегментов. Это дает возможность изменять в небольших пределах его диаметр для облегчения вынимания валика из рулонов после намотки.
Для тонкой и специальной бумаги существуют станки с комбинированной намоткой бумаги. У них имеются опорные барабаны, на которых вращается наматываемый валик, приводимый в движение от специального осевого привода со скользящими шестеренками. Опорные барабаны приводятся во вращение трением от бумажного валика и имеют фрикционные тормоза, которые позволяют изменять скорость вращения барабанов и тем самым регулировать плотность намотки бумаги. В другой конструкции станка с дифференциальным приводом бумага наматывается вначале на опорных барабанах, а затем по достижении известного диаметра рулон снимается с них, и бумага наматывается по осевому методу. Такой способ позволяет ослабить плотность рулона в конце намотки .
В последнее время на одном из наших комбинатов, вырабатывающих газетную бумагу, разработана система бесштанговой намотки рулонов бумаги на продольно-резательных станках. Вместо металлического намоточного валика бумажные гильзы надеваются на легкий деревянный валик, который в сущности служит только для удобства сборки комплекта гильз, и этот комплект бумажных гильз укладывается в зазор между опорными барабанами , прижимается сверху прижимным валиком, после чего в торцы крайних бумажных гильз вдвигаются короткие конусообразные металлические втулки , заменяющие намоточный валик и удерживающие гильзы от осевого смещения . После этого заправляется бумага и станок пускается в ход. Новый способ работы имеет большие преимущества: значительно облегчается труд рабочих, упрощается обслуживание станка, сокращается требующаяся рабочая сила, и качество намотки бумаги при этом не снижается.
Тормозное устройство. Разматываемый валик бумаги соединяется с тормозом , чтобы можно было создавать необходимое натяжение бумаги при работе станка. Натяжение, в зависимости от вида бумаги, составляет 0,1–0,5 кгс/см. При слабом натяжении бумага морщится, при слишком сильном она может порваться. Поэтому важно создать оптимальное натяжение бумаги для получения равномерной и плотной намотки рулона. Еслинатяжение бумаги в процессе ее резания изменяется, плотность рулонов получается неравномерной, может произойти набегание разрезаемых полотен бумаги друг на друга и образуются так называемые нахлесты , в результате чего разрезанные рулоны бумаги трудно разъединить
Существует несколько типов тормозных устройств: фрикционный, вакуумный и электрический. На старых станках наиболее распространен фрикционный тормоз, в новых – электрический. Наименее совершенны фрикционные тормоза в виде муфты трения или ленточные. В этих конструкциях энергия торможения превращается в тепло. Во избежание сильного разогрева фрикционные тормоза охлаждаются водой. Работа этих тормозов недостаточно надежна, и поддержание равномерного натяжения бумаги при работе станка в значительной мере зависит от квалификации рабочего. Более совершенным является вакуумный тормоз (в виде вакуумного ящика ), устанавливаемый под полотном бумаги и оказывающий тормозящее действие непосредственно на полотно бумаги перед его разрезанием. Натяжение бумаги контролируется вакуумметром.
Наиболее совершенным является электрический тормоз, который те- перь находит все большее применение. На раскат вместо механического (фрикционного ) тормоза устанавливают электрический генератор, приводимый во вращение бумагой. Получаемая при этом энергия используется приводным электродвигателем. Таким образом, энергия торможения не теряется , и достигается экономия энергии, потребляемой станком, примерно 35–45 %. Наряду с эти улучшается работа станка и снижается брак, процесс торможения поддается точной регулировке и автоматизации. Вследствие равномерного натяжения бумаги полностью устраняются захлесты в рулонах бумаги и облегчается разъединение рулонов после разрезания. При ручном торможении бумаги при помощи фрикционной муфты процесс торможения идет ступенчато, периодически и равномерность его очень трудно обеспечить.
Правка бумажного полотна. Устройство для правки бумажного полотна аналогично устройству, применяемому на сортировочных станках. Для устранения перекосов бумажного полотна подшипник разматываемого тамбура с рабочей стороны станка помещают на подвижном суппорте, при помощи которого этот конец тамбура можно перемещать перпендикулярно его оси. Для регулирования хода бумажного полотна и устранения его смещения в какую-либо сторону весь разматываемый тамбур вместе с подшипниками можно перемещать в осевом направлении . Наряду с ручным регулированием хода бумажного полотна применяют и автоматическое. Вначале был сконструирован механический, затем пневмо -механический и, наконец, фотоэлектрический регулятор.
Пневмо -механический регулятор состоит из воздушного сопла, устанавливаемого над кромкой бумажного полотна, и компрессора, создающегодавление воздуха в трубопроводе. Воздушное сопло устанавливают таким образом , что при нормальном движении кромка бумаги перекрывает его отверстие наполовину. Смещение полотна вызывает изменение давления воздуха в трубопроводе, ведущем к поршню. Последний переключает вращение храпового колеса суппорта станины раската, благодаря чему тамбур перемещается в нужном направлении.
Фотоэлектрический регулятор состоит из головки, в которой помещен источник света, направляющий пучок света на кромку бумажного полотна. Кроме источника света, в головке находится также фотоэлектрический элемент , реагирующий на количество света, отражаемого от полотна бумаги. При смещении бумажного полотна происходит увеличение или уменьшение отражаемого бумагой света, что изменяет сопротивление фотоэлемента. Это создает разность потенциалов в лампах регулятора, которые электрически соединены с фотоэлементом. Лампы воздействуют на вспомогательный двигатель, приводящий в движение суппорт станины раската, и он смещается в нужную сторону. Работа регулятора отличается точностью и надежностью . При использовании фотоэлектрического регулятора можно работать с меньшей шириной обрезков (до 5 мм). Количество брака бумаги на станке при этом снижается.
Привод продольно-резательного станка . Бумагу заправляют на малой скорости станка (20–25 м/мин). Величина рабочей скорости зависит от вида и качества бумаги и может достигать 500–800 м/мин у обычных и 1500–2000 м/мин у быстроходных станков. Поэтому продольно-резательные станки снабжаются регулируемым приводом, позволяющим плавно изменять скорость в широких пределах, от 1 : 3 до 1 : 5. Это достигается применением электродвигателей постоянного тока с включением их от преобразовательной группы по схеме Леонарда или прямого и встречного включения. Привод обычно осуществляется через один из двух опорных барабанов станка , второй барабан приводится в движение от первого через редуктор. Реже каждому барабану придается свой электрический двигатель с самостоятельной регулировкой скорости. На современных быстроходных станках опорные барабаны, как и все остальные валы, подвергаются тщательной динамической балансировке.
Для ориентировочного расчета потребляемой мощности станком можно воспользоваться формулой N = р b υ \60*102 η где р – натяжение бумаги (0,1–0,5 кгс/см); b – ширина бумаги, см; υ – скорость, м/мин; η – коэффициент, равный 0,6–0,7.
Работа продольно-резательного станка . В зависимости от размеров станок обслуживается двумя или тремя рабочими, из которых один старший . В обязанность рабочих входят: установка рулона бумаги и намоточного валика, заправка бумаги, регулирование натяжения и хода бумажного полотна, наблюдение за процессом резания и намотки бумаги, а также склеивание и удаление дефектной бумаги и, наконец, съем со станка разрезанных рулонов.
Работа выполняется следующим образом. На металлический намоточный валик надевают прочные бумажные гильзы с внутренним диаметром 70 мм и толщиной стенки 10–12 мм. Длина гильз должна соответствовать формату рулонов бумаги после резания. Положение гильз на валике фиксируют краевыми гайками или стопорными кольцами. Подготовленный намоточный валик кладут в углубление между опорными барабанами при остановленном станке, шейки валика закрепляют в корпусах подшипников, после чего опускают прижимной валик. Далее станок пускают на тихий ход и бумагу заправляют в станок при поднятых дисковых ножах. Когда бумага заправлена , ножи опускают и начинают повышать скорость станка, одновременно регулируя натяжение бумаги.
Бумага режется на высокой скорости. При наличии обрывов или дефектной бумаги, что должно быть отмечено в рулоне бумаги закладкой или цветным карандашом, станок останавливают, срывают дефектную бумагу и склеивают концы. Обрезанные кромки бумаги шириной 10–20 мм отводятся от станка пневматическим способом, для чего сверху над рулоном или под станком помещают вентилятор, который при помощи подвижных рукавов и воздуховода транспортирует обрезки к бракомольной установке.
На малых станках разрезанные рулоны снимают вручную путем выкатки их с опорных барабанов на стол и далее по откосу на пол, после того как намоточный валик вынут из рулонов. На больших станках бумага сталкивается на опускающийся от гидропривода стол механическими толкателями, действующими от пневмо - или гидропровода . Наиболее трудоемкие операции при работе на станке – подготовка и закладка на станок намоточного валика, а также вытаскивание его из комплекта рулонов после резания. С целью механизации этих операций на современных больших машинах комплект рулонов после резания опускается вместе с намоточным валиком на транспортер.
Намоточный валик одним концом прикрепляется к стойке, и транспортер при своем движении вместе с рулонами бумаги снимает их с намоточного валика, после чего подготовка и закладка намоточного валика на станок осуществляются при помощи крана . Подобная механизация становится излишней при бесштанговой намотке рулонов, о которой сказано выше.
При выработке ролевой бумаги особое значение приобретают равномерность толщины и влажности бумаги по ширине полотна, отсутствие в рулоне тугих и мягких мест. Если при резании листовой бумаги с такими недостатками еще можно мириться, то при выработке ролевой бумаги они совершенно недопустимы, так как только в случае равномерной выработки бумаги по весу, толщине и влажности по ширине полотна можно получить рулоны бумаги с равномерной и плотной намоткой .
При выработке ролевой бумаги для разделения разрезанных рулонов иногда приходится прибегать к помощи дубовых клиньев, что служит причиной повреждения рулонов. Причиной трудного разъединения рулонов может быть нахлест полос бумаги в смежных рулонах из-за неравномерного натяжения бумажного полотна при резании, неправильной установки ножей (бумага плохо прорезается), а также из-за повышенной влажности бумаги. Для учета выработанной бумаги к одному из опорных барабанов подключают счетчик метража, автоматически отключающийся при обрывах бумаги . Количество брака при резании бумаги на рулоны составляет обычно 2–3%, в том числе 1–2% приходится на обрезки, а остальное – на срыв дефектной бумаги.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Рабочая программа Экономика отрасли
Рабочая программа по дисциплине Экономика отрасли для специальности СПО Сервис на транспорте...
Рабочая программа Экономика отрасли
Рабочая программа учебной дисциплины "Экономика отрасли" для специальности 36.02.01. Ветеринария...
Рабочая программа_Экономика отрасли
Рабочая программа...
Рабочая программа учебной дисциплины Технология отрасли 2022 г.
Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе требований федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования (ФГОС СПО) по специальности 15.02....
©Пахомова И.А. Разработка рабочих программ на 2021-2022 учебный год в соотвествии с ФГОС
Разработка и создание рабочих программ по дисциплине "ОП.09 Психология" на 2021-2022 учебный год в соотвествии с ФГОС по очной форме обучения для специальности 34.02.01 Сестринско...
Рабочая программа Экономика отрасли
Рабочая программа Экономика отрасли для специальности Электрификация и автоматизация сельского хозяйства...