Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
j《Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года, утвержденными XXVI съездом КПСС, в лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности предусматривается к 1985 г. увеличить выпуск продукции на 17—19 %, повысить производительность труда на 16—18 %. Опережающими темпами развивать производство прогрессивных видов лесной и бумажной продукции, увеличить выпуск древесностружечных плит в 1,5 раза, древесноволокнистых плит и картона в 1,3——1,5 раза, целлюлозы в 1,3—1,4 раза и бумаги на 20—25 %, создать и освоить новые технологические процессы и материалы, обеспечивающие расширение ассортиментами значительное улучшение качества бумаги для печати, максимально утилизировать макулатуру./
В последние 14®1#накоплен значительный научный и технический потенциал в обвсти химической переработки древесины, сопровождающийся пеЖлением многочисленной литературноднако отсутствие специализированных учебников по технологии химической переработки древесины вызывает методические трудности при подготовке высококвалифицированных инженеров-экономистов по специальности экономика и организация целлюлозно-бумажного и лесохимических производств, которые должны быть знакомы с основами современной научной технологии указанных производств.
Настоящее учебное пособие является первым изданием и написано в соответствии с программой курса технологии целлюлозно-бумажного и лесохимических производств, читаемого для студентов-экономистов. Материал пособия охватывает целлюлозно- бумажное, гидролизное и лесохимические производства и изложен с учетом современных достижений в дехнике и технологии, что обеспечит получение студентами необходимого уровня подготовки для последующей практической деятельности в качестве инженеров-экономистов по химической переработке древесины.
ВВЕДЕНИЕ
Лес — национальное богатство советского народа. Запасы древесины в лесах СССР, которыми покрыто свыше 55 % территории страны, оцениваются 82 млрд, м3 и составляют 34,5 % по лиственным и 5(У % по хвойным породам всех мировых запасов. Велико значение леса как источника получения древесины и разнообразных побочных продуктов ——даров леса. Неоценимы водоохранные и почвозащитные, санитарно-гигиенические и эстетические свойства лесов, зеленых зон городов и лесопарков, а также их быстрорастущая рекреационная роль.
Начало использованию древесины для химической переработки положили древнейшие промыслы — углежжение и смолокурение. По мере развития химии и химической технологии древесина стала приобретать все большую значимость в качестве сырья для химической переработки. Одновременно склады安ji^Sb теоретическая основа современной технологии химическое переработки древесины——химия древесины ——наука, на базе которой выросли целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая промышленности, представляющие неотъемлемые отрасли народного хозяйства.
^Предусмотренный XXVI съездом КПСС значительный прирост к 1985 г. и перспективы развития отраслей по химической переработке древесины на период до 1990 г. определяются спецификой применяемого сырья. Проблема обеспечения всевозрастающих объемов производства промышленной продукции технологическим сырьем выгодно отличает древесное сырье перед другими природными сырьевыми источниками органических веществ (углем, нефтью, природным газом). Особенностью древесного сырья является его быстрая естественная и непрерывная возобновляемость. Ежегодно за счет процесса фотосинтеза в ценные компоненты древесины превращается огромное количество углерода воздуха, оцениваемое ботаниками средним приростом в 1,4 м3 древесины на 1 га лесной площади. Именно эта особенность позволяет приступить к реализации намеченной на одиннадцатую и двенадцатую пятилетки целевой комплексной программы по созданию в Европейско-Уральской зоне СССР постоянной лесосырьевой базы для целлюлозно-бумажной промышленности за счет выращивания леса на специальных плантациях. Эта необходимость диктуется сложившимся некоторым дисбалансом в размещении перерабатывающих предприятий и лесосырьевой базы, что обусловливает значительные трудности бесперебойного снабжения предприятий сырьем и большие транспортные расходы на его перевозку.
Химической переработкой древесины заняты целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая промышленности. Орга-
нически объединяемые видом перерабатываемого сырья —древе： синой, они основаны на различии в поведении ее основных компонентов по отношению к различным физико-химическим воздействиям в определенных условиях.
Крупнейшей отраслью химической переработки древесины является целлюлозно-бумажная промышленность, занимающая первое место по количеству перерабатываемой древесины среди отраслей по химической переработке. В СССР на долю целлюлозно- бумажной промышленности приходится 15 % всего объема заготавливаемой древесины, что примерно составляет более 60 млн. м3 в год. В настоящее время почти все виды бумаги и картона вырабатываются из древесной целлюлозой других древесных волокнистых полуфабрикатов. Древесная Целлюлоза служит основным сырьем для производства искусственного ацетатного и вискозного волокон, часть ее используется при изготовлении пластичных масс, бездымного пороха, кинопленки, лаков и др. Особое внимание уделяется значительному повышению комплексности переработки древесного сырья, повышению выхода целлюлозы и других полуфабрикатов из древесины, существенному расширению использования в качестве технологического сырья для выработки волокнистых полуфабрикатов древесины лиственных пород, технологической щепы^из древесных отходов, низкокачественной хвойной древесины и максимальной утилизации макулатуры.
Гидролизное производство, являющееся одной из отраслей микробиологической промышленности/ получило в Советском Союзе особенно широкое развитие. Оно позволяет перерабатывать низкокачественную древесину и миллионы тонн разнообразных древесных и сельскохозяйственных отходов в важнейший продукт —кормовые белковые дрожжи, а также вырабатывать этиловый спирт, фурфурол, ксилит. В дальнейшем будут осуществляться мероприятия по ускоренному развитию микробиологической промышленности, призванной обеспечивать сельскохозяйственное производство ценными продуктами микробиологического синтеза. ВПТервую очередь значительно увеличится производство кормовых белковых дрожжей на базе гидролизного производства.
Лесохимическая промышленность объединяет несколько производств, которые отличаются большим разнообразием выпускаемой продукции. Пиролиз (сухая перегонка) древесины дает древесный уголь, метиловый спирт, уксусную кислоту, фенольные смолы, различные органические растворители. Канифольно-скипидарное производство позволяет получить канифоль и скипидар, которые используются в лакокрасочной, парфюмерной и фармацевтической промышленности.
Новое направление в лесохимии — использование живых элементов дерева — возникло на базе переработки практически не «с- пользуемой древесной зелени. Получаемая из хвои хлорофилло- каротиновая паста и другие препараты используются в медицине и парфюмерии. С производством витаминной муки из древесной зелени — кормового средства для животноводства ——связывают
перспективу рациональной утилизации огромного количества ве- 事 ток, хвои и листьев. В настоящее время интенсивно исследуется направление утилизации побочных продуктов и отходов произ- j водств химической переработки древесины, что позволит перейти | к освоению малоотходной и безотходной технологии и, следова- | тельно, значительно повысить комплексность переработки древе- J сины и сократить выброс вредных веществ в окружающую среду. ；
В связи с ростом цен на нефтехимические продукты' и прогно- j зируемыми трудностями с сырьем древесину все чаще начинают , ■ рассматривать как основной источник углеродсодержащего сырья Для химического синтеза. Пока еще большая стоимость доставки . древесины и отсутствие достаточно рентабельных способов ее хи- ' мической переработки являются сдерживающими факторами. По- । этому решение задач существенного снижения стоимости доставки ,древесины и разработки технологий, способных конкурировать с нефтехимическим синтезом, в перспективе откроет новое направление в технологии химической переработки — органический синтез на основе О|рганических веществ древесины.、
У истоков создания отечественной промышленности и научной школы по химической переработке древесины стояли крупные ученые: член.-кор. АН СССР Н. И. Никитин, профессора Д. В. Ти- | Щенко, С. А. Фотиев, Н. Н. Непенин, В. И. Шарков, С. Н. Иванов, | В. М. Никитин, О. К. Гиллер, Л. П. Жеребов. С именами известных ученых ——профессоров Ю. Н. Непениным, Д. М. Фляте, Н. Я. Солечником, Ю. Г. Бутко, С. А. Сапотницким, Н. А. Розенбергером, Б. Г. Миловым — тесно связан сегодняшний день промышленности химической переработки древесины. Современный уровень развития отечественной целлюлозно-бумажной, гидролизной и лесохимической промышленности, вышедшей на рубежи, достигнутые в ведущих капиталистических странах,— итог их многолетней неутомимой творческой деятельности. Воспитанный ими многотысячный отряд инженерных и -научных кадров успешно тру- I дится на всех предприятиях и в научных учерждениях по химической переработке древесины.
Раздел I
ТЕХНОЛОГИЯ
ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Глава 1
ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗАИ МЕТОДЫ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА
Классификация технической целлюлозы и показатели качества. Природная целлюлоза, или клетчатка, является основным веществом, из которого построены стенки растительных клеток, и поэтому растительное сырье разных видов служит единственным источником производства целлюлозы. Целлюлоза представляет собой природный полисахарид, линейные^цепевидные макромолекулы которого построены из элементарных звеньев В-О-аншпро^ глюкопиранозы, Соединенных между собой 1—4 глюкозидными связями. Эмпирическая формула целлюлозы (С6НюО5)п, где и — степень полимеризации (СП).
нCIнCIЦеллюлоза.Целлюлоза.
н
CI
н
CI
Целлюлоза.
Целлюлоза.
Каждое элементарное звено целлюлозы за исключением концевых звеньев содержит три спиртовые гидроксильные группы. Поэтому формулу целлюлозы часто . представляют в виде [СбН7°2(О育)з]九.На одном конце макромолекулы целлюлозы находится звено, имеющее дополнительный вторичный спиртовой гидролиз у 4-го атома углерода, на другом — звено, имеющее свободный глюкозидный (полу а цета льный) гидроксил у . 1-го атома углерода. Это звено придает целлюлозе восстанавливающие (редуцирующие) свойства.
Степень полимеризации природной древесной целлюлозы находится в пределах 6000—14 000. СП характеризует длину линей-
ных макромолекул целлюлозы и, следовательно, определяет те свойства целлюлозы, которые зависят от длины целлюлозных цепей. Любой образец целлюлозы состоит из макромолекул различной длины, т. е., является полидисперсным. Поэтому СП обычно представляет усредненную степень полимеризации. СП целлюлозы связана с молекулярной массой соотношением СП = М/162, где 162 — молекулярная масса элементарного звена целлюлозы. В природных волокнах (оболочке клеток) линейные цепевидные макромолекулы целлюлозы водородными и межмолекулярными силами связи объединены в микрофибриллы неопределенной длины, диаметром около 3,5 нм. В каждой микрофибрилле насчитывается большое число (примерно 100——200) целлюлозных цепей, расположенных вдоль оси микрофибриллы. Микрофибриллы, располагаясь по спирали, образуют агрегаты из нескольких микрофибрилл——фибриллы, или пряди, диаметром около 150 нм, из которых построены слои клеточных стенок.
Процесс получения целлюлозы сводится к освобождению ее от лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров и таннидов, сопровождающих целлюлозу ?в растительной ткани, каким-либо способом химической обработки. Поскольку основным веществом, от которого стремятся освободить растительную ткань в результате химической обработки, является лигнин, процесс получения целлюлозы называется делигнификацией соответствующего растительного сырья (древесины, соломы хлебных злаков, тростника и т. п.). Продукт делигнификации называется технической целлюлозой. Техническую целлюлозу получают в процессе варки, под которой понимают обработку древесного или другого растительного сырья раствором химических реагентов при повышенных температуре и давлении по специальному режиму в аппаратах периодического или непрерывного действия. Применяемый раствор химикатов называется варочным раствором [3].
В зависимости от режима обработки растительного сырья в процессе варки можно получить продукты с различным выходом, определяемым отношением массы полученного полуфабриката к массе исходного растительного сырья (%). Продукт с выходом от 80 до 60 % массы сырья называется полуцеллюлозой, для которой характерно высокое содержание лигнина (15—20 %). Лигнин межклеточного вещества в полуцеллюлозе в процессе варки растворяется не полностью (часть его остается в полуцеллюлозе); волокна соединены между собой еще настолько прочно, что для их разделения и превращения в волокнистую массу необходимо применять механический размол. Продукт с выходом от 60 до 50 % называется целлюлозой высокого выхода (ЦВВ). ЦВВ раздели-, ется на волокна без механического размола с помощью размыва струей воды, но содержит еще значительное количество остаточного лигнина в клеточных стенках. Продукт с выходом от 50 до 40 % называется целлюлозой нормального выхода, которая по степени делигнификации, характеризующей процентное содержание остаточного лигнина в стенках волокон, разделяется на целлюлозу 8
жесткую (3——8 % лигнина), среднежесткую (1,3—3 % лигнина) и мягкую (менее 1,5 % лигнина).
В результате варки растительного сырья получают небеленую целлюлозу, представляющую продукт с относительно низкой белизной, содержащий еще большее число компонентов древесины, сопровождающих целлюлозу. Освобождение от них продолжением варочного процесса связано со значительным разрушением целлюлозы и, как следствие этого, снижением выхода и ухудшением ее свойств. Для получения целлюлозы с высокой белизной — беленой целлюлозы, наиболее освобожденной от лигнина и экстрактивных веществ, техническую целлюлозу подвергают отбелке химическими отбеливающими реагентами. Для более полного удаления гемицеллюлоз целлюлозу подвергают дополнительной щелочной обработке (облагораживанию), получая в результате облагороженную целлюлозу. Облагораживание обычно совмещают с процессом отбелки. Отбелке и облагораживанию подвергают преимущественно мягкую целлюлозу и целлюлозу средней жесткости, предназначенные как для производства бумаги, так и для химической переработку
Полуцеллюлоза, ЦВВ, небеленая целлюлоза нормального выхода, беленая, полубеленая и облагороженная целлюлозы являются волокнистыми полуфабрикатами, находящими широкое практическое применение для производства самых разнообразных видов бумаги и картона. На эти цели перерабатывается около 93 % всей вырабатываемой в мире целлюлозы. Остальная часть целлюлозы служит сырьем для химической переработки.
Для характеристики свойств и качества технической целлюлозы, определяющих ее потребительскую ценность, применяют целый ряд различных показателей. Рассмотрим наиболее важные из них.
Содержание лигнина — один из основных показателей, оценивающих пригодность небеленой целлюлозы для выработки определенных видов бумаги и картона. В беленых целлюлозах содержание лигнина обычно не превышает девятых долей процента, поэтому этот показатель для них не определяют.
Содержание пентоз анов в сульфитных целлюлозах составляет от 4 до 7 %, а в сульфатных целлюлозах той же степени делигнификации 10—11 %. Наличие пентозанов в целлюлозе способствует повышению ее механической прочности, улучшает проклейку, размалываемость, поэтому более полное сохранение их в целлюлозе для производства бумаги и картона благоприятно сказывается на качестве продукции. В целлюлозе для химической переработки пентозаны ——нежелательная примесь.
Содержание смолы в сульфитной хвойной целлюлозе высокое и достигает 1——1,5 %, так как сульфитная варочная кислота не растворяет смолистых веществ древесины. Щелочные варочные растворы растворяют смолы, поэтому их содержание в целлюлозе щелочных варок невелико и составляет 0,2——0,3%. Высокое содержание смолы в целлюлозе, особенно так называемой «вредной
смолы》，создает затруднения в бумажном производстве вследствие липких смолистых отложений на оборудовании.
Медное число характеризует степень деструкции целлюлозы в процессах варки, отбелки и облагораживания. В конце каждой целлюлозной молекулы имеется альдегидная группа, способная восстанавливать соли окисной меди до закиси меди, и чем больше деструктирована целлюлоза, тем больше меди может восстановить 100 г целлюлозы в пересчете на абсолютно сухую массу. Закись меди пересчитывают в металлическую медь и выражают в граммах. Для мягких целлюлоз медное число выше, чем для жестких. Целлюлоза щелочных варок имеет низкое медное число, около 1,0, сульфитная——1,5—2,5. Отбелка и облагораживание значительно понижают медное число.
Степень полимеризации (СП) определяется измерением вязкости растворов целлюлозы вискозиметрическим методом. Техническая целлюлоза неоднородна и представляет собой смесь высокомолекулярных фракций с различной СП. Определяемая СП выражает усредненную длину целлюлозных цепей и для технических целлюлоз находится в пределах 4000——5500.
.Механические прочностные свойства целлюлозы испытывают после'размола ее до степени помола 60° ШР. Наиболее часто определяют сопротивление разрыву, излому, продавливанию и раздиранию. В зависимости от вида сырья, способа получения, режима обработки и других факторов перечисленные показатели могут колебаться в .очень широких пределах.、
I Бумагообразующие свойств а ——это совокупность свойств, обусловливающих достижение требуемого качества изготовляемой бумаги и характеризуемых рядом разнообразных показателей, например поведением волокнистого материала в технологических процессах изготовления из него бумаги, влиянием его на свойства получаемой бумажной массы и готовой бумаги. Более полно бумагообразующие свойства волокнистых материалов будут рассмотрены в разделе II.
Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 м2 поверхности. Например, содержание соринок для различных беленых целлюлоз, допускаемое стандартами, может колебаться от 160 до' 450 шт. на 1 м2, а для небеленых целлюлоз — от 2000 до 4000 шт.
Методы производства технической целлюлозы. Применяемые в промышленности и исследованные в лабораторных условиях методы производства технической целлюлозы многочисленны. Все они основаны на свойстве лигнина гораздо легче, qCM целлюлоза, поддаваться разрушительному действию многих химических реагентов. В основу классификации методов производства целлюлозы в нашей стране положены вид и свойства применяемых химических реагентов, а при использовании нескольких реагентов — по- следовательность обработки ими растительного сырья. По виду 10
и свойствам применяемых растворов химических реагентов различают щелочные, нейтральные и кислотные методы варки. Фактором, определяющим принадлежность конкретного метода варки к щелочным, нейтральным или кислотным, является концентрация водородных ионов, (активная кислотность) в применяемом варочном растворе, характеризуемая водородным показателем pH. Ме_ тоды варки технической целлюлозы, получившие промышленное распространение, охватывают в настоящее время весь интервал значений pH, что дает возможность успешно варить любые древесные породы и получать широкий ассортимент волокнистых полуфабрикатов с различным целевым применением.
NH4HSO3.NH4HSO3.также кис-раствор би-также кис-раствор би-В основу щелочных методов варки положено действие щелочи на древесину. В этой группе наиболее широкое применение получил сульфатный метод варки, в котором активным варочным реагентом служит водный раствор смеси едкого натра NaOH и сульфида натрия Na2s. Этим методом получают более половины производимой в мире целлюлозы. По своей значимости второе место принадлежит сульфитному методу варки, относящемуся к группе кислотных. Активным варочным реагентом в сульфитном методе служит раствор сернистой кислоты Н2soз, содержащей некоторое количество одного из бисульфитов кальция Са(Н50з)г； магния Mg(HSO3)2, натрия NaHSO3 или аммония В бисульфитном методе варки, представляющем лотный метод, варочным реагентом является водный сульфита магния, натрия или аммония. Нейтральио-суль- ф и т н ы й метод варки представляет группу нейтральных методов получения целлюлозы. Варочным реагентом в нем служит водный раствор сернистокислых солей натрия Na2sОз йли аммония (NH4) 2SO3, содержащий некоторое количество карбоната Na2cОз или бикарбоната натрия NaHCO3.
NH4HSO3.
NH4HSO3.
также кис-раствор би-
также кис-раствор би-
Наряду с перечисленными выше црименяются методы производства целлюлозы, включающие две последовательные обработки сырья различными реагентами. Если сырье обрабатывается последовательно реагентами близкими по своей природе, такие методы относятся к группе ступенчатых. Наибольшее промышленное значение имеют сульфитно-сульфитный и бисульфитно-нейтрально- сульфитный методы. В случае последовательной обработки сырья на различных ступенях двумя или несколькими разнохарактерными реагентами методы относятся к группе комбинированных, из которых промышленное значение приобрели предгидролизно- сульфатный, сульфитно-содовый и хлорно-щелочной.
Окислительные методы производства целлюлозы пока не получили промышленного применения, но усиленно исследуются и разрабатываются. В качестве активных реагентов для делигнификации растительного сырья в нихиспользуются окислители, отличающиеся высокой избирательностью по отношению к лигнину. Среди -них следует назвать одноступенчатый кислородно-содовый, двухступенчатый кислородно-щелочной, гидротопный, холоцеллюлозный, окислительного аммонолиза и другие методы без приме-
с которыми связывают будущеес которыми связывают будущеененкя серосодержащих реагентов,
с которыми связывают будущее
с которыми связывают будущее
целлюлозного производства.
В настоящем курсе основное внимание уделено рассмотрению сульфатного и сульфитного методов производства целлюлозы, нашедших наибольшее практическое применение. Сравнительная характеристика сульфатной и сульфитной целлюлозы из еловой древесины при одинаковой степени делигнификации приведена в табл. 1, из данных которой видно, что п(рочность сульфатной целлюлозы выше, однако значительно ниже выход и хуже разма- лываемость.
ТАБЛИЦА 1
Показатель
Целлюлоза
сульфатная
сульфитная
°°8 57884567ноо°°8 57884567ноо54579职4595001,270,7954579职4595001,270,79Выход, %
°°8 57884567
ноо
°°8 57884567
ноо
54579职4595001,270,79
54579职4595001,270,79
Содержание лигнина, %
Клетчатка, %
Гемицеллюлозы, %
Продолжительность размола, мин
Степень помола, °ШР
Разрывная длина, м Сопротивление раздиранию, Н Плотность, г/см3
РАСТИТЕЛЬНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВАВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Древесное сырье и его характеристика. Главным видом сырья для производства технической целлюлозы является древесина хвойных и лиственных пород. Запасы хвойных пород древесины в нашей стране сосредоточены в северо-восточных районах европейской части, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Отсутствие фенолов и низкое содержание смолы в древесине ели и пихты, на долю которых приходится соответственно 14 % и 5 % всех лесных запасов, делают их главным видом сырья для сульфитцеллюлозного производства и производства белой древесной массы. В дальнейшем преимущественное использование ели и пихты для производства белой древесной массы, сульфитной и бисульфитной целлюлозы будет сохраняться. Большая часть лесных запасов СССР (около 58 %) приходится на сосну и лиственницу, являющуюся преобладающей древесной породой в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Из-за наличия в их древесине фенолов, высокого содержания смолы и водоэкстрактивных веществ (у лиственницы) сосна и лиственница плохо поддаются сульфитной варке и поэтому не применяются в качестве сырья для сульфитного метода. Однако для бисульфитного, би- 12
сульфит-сульфитного, бисульфит-нейтрально-сульфитного и сульфатного методов варки целлюлозы они успешно используются. Для сульфатного метода варки свойства растительного сырья не имеют решающего значения, поэтому для переработки в целлюлозу по этому методу пригодны все породы, но наибольшее промышленное применение нашла древесина сосны.
Среди лиственных пород древесины наибольшее промышленное значение приобрела береза, занимающая более 13 % лесных площадей, второе место принадлежит осине. В южных районах страны промышленное значение могут иметь тополь, ольха, эвкалипт. Древесина лиственных пород широко используется в производстве полуцеллюлозы, сульфитной, бисульфитной и сульфатной целлюлозы, белой, химической, термохимической и термомеханической древесной массы. Ограниченные ресурсы древесины хвойных пород (особенно ели) вообще и в Европейско-Уральской зоне СССР, где сосредоточена большая часть производственных мощностей целлюлозного производства в частности, создали проблему обеспечения их древесным сырьем. В связи с этим на расширение сырьевой базы и изменение структуры перерабатываемого сырья за счет вовлечения в переработку лиственных пород, низкокачественной древесины, отходов лесозаготовок и деревообрабатывающих производств, тонкомерной древесины, вторичных ресурсов и однолетних растений в одиннадцатой пятилетке обращено особое внимание. Кроме более полного удовлетворения отрасли сырьем, одновременно достигается экономия деловой древесины, повышается эффективность производства и охраны природы.
При организации переработки древесины лиственных пород необходимо учитывать следующее: древесина лиственных пород зна^ чительно труднее окаривается, чем хвойных: средняя плотность лиственных пород на 25 % выше хвойных; диаметр и длина волокна на 35——50 % меньше; прочность лиственной целлюлозы значительно меньше, чем хвойной; использование лиственной целлюлозы вполне себя оправдывает в композиции с хвойной целлюлозой; проблема «выщипывания» волокна свойственна всем видам целлюлозы из лиственных пород, но она решается добавкой крахмала и синтетических веществ; тонкомерная древесина лиственных пород равноценна крупномерной, чего не наблюдается у хвойных; древесина лиственных пород наиболее пригодна для производства беленой сульфатной и сульфитной целлюлозы, беленой полуцеллюлозы и нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы для гофры. Доля древесины лиственных пород в сырьевом балансе мирового целлюлозно-бумажного производства будет непрерывно расти и к концу нынешнего столетия достигнет 7з всего используемого сырья.
Отличие химического состава древесных пород также существенно сказывается на выходе и свойствах получаемых из них волокнистых полуфабрикатов, поэтому этот фактор при производстве учитывается. В табл. 2 приведен химический состав древесины наиболее распространенных отечественных пород.
ТАБЛИЦА 2
содерясанне химических компоиеитов, %
Порода
■ Целлюлоза
Лигиии
Гексозаны
Пентозаны
Вещества, экстрагируемые горячей водой
Вещества, экстрагируемые эфиром (жиры, воски, смолы)
Ель Сосна . Пихта Лиственница Осина Береза Дуб
45,2 50,6 52,1
36,2 43,6 41,0 37,1
12,3 11,8 11,0 13,5
2,0 3,0 2,7
1,9 2,3 3,0
20,0 2,3 2,2 7,0
2,5 3,4 2,1 1,4 1,6 1,8 0,8
физическихфизическихФиз ические свойства древ^ес ин ы. Из физических свойств древесины в процессах ее химической переработки и особенно в производстве волокнистых полуфабрикатов наибольшее значение имеют влажность и объемная масса. Под влажностью древесины понимают содержание в ней воды, которое выражают в процентах по отношению к массе абсолютно сухой древесины (абсолютная влажность Wa6c) или по отношению к массе влажной древесины, (относительная влажность %丁日).Абсолютно сухой древесиной условно принято считать древесину, высушенную до постоянной массы при 105℃. В практике чаще пользуются относительной влажностью
физических
физических
^ = (^/0)100»
где т — масса воды, кг; G — масса влажной древесины, кг.
Для пересчета относительной влажности Ц/Отн на абсолютную 取абс и наоборот пользуются соотношениями： IFoth = =100UZa6c/(100+^a6c) и 取абс=100呼。тн/(100—取отн)・ Влажность свежесрубленной древесины находится в пределах25—40 %. Воздушносухому состоянию древесины, высушенной в естественных условиях, отвечает 15——20 %-ная влажность. Влажность мокрой древесины (после длительного пребывания в воде) может дости- гать_60 % и более.
СО-СО-Плотность ——это масса вещества, содержащаяся в единице его * объема, которая выражается в килограммах на кубический метр. Для древесины различают два понятия плотности: плотность древесины как физического тела и плотность собственно древесного вещества. Вследствие капиллярно-пористой структуры древесной ткани ее внутренняя поверхность составляет около 300 м2/г, лишь от 20 до 50 % общего объема древесины приходится на долю древесного вещества (для ели около 30 %). Оставшийся объем древесины приходится на пустоты. Плотность древесины зависит как от плотности упаковки структурных элементов древесной ткани, так и от влажности. Плотность абсолютно сухой древесины зависит только от объема пустот, поэтому для сравнения между
СО-
СО-
бой образцов древесины по плотности необходимо привести их к одной и той же влажности. Наиболее удобно пользоваться плотностью древесины в абсолютно сухом состоянии.
Плотность собственно древесного вещества для всех пород древесины практически постоянна и принимается равной 1540 кг/м3. Плотность древесины большинства пород меньше единицы, поэтому в воде такая древесина плавает (плотность воды 1000 кг/м3). Исключение составляет древесина в состоянии полного насыщения пустот водой (при длительном хранении в воде). В этом случае плотность древесины превышает плотность воды, и она тонет. По этой причине наблюдались большие потери древесины при ее доставке сплавом, особенно россыпью (молем). Поэтому, этот способ сплава в настоящее время на многих реках запрещен. Для наиболее широко распространенных в СССР пород плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, в среднем, может быть при- .нята, кг/мЗ： для ели 435, сосны 470, пихты 380, лиственницы 650, осины 430, березы 600, бука 660.
Ценность древесины как сырья для производства волокнистых полуфабрикатов определяется плотностью, показывающей сколько древесного материала в килограммах (или тоннах) содержится в единице объема древесины. С увеличением плотности сырья возрастает производительность оборудования.
ка-ка-Характеристика качества балансов. Древесина хвойных и лиственных пород, поступающая на целлюлозно-бумажные предприятия в виде бревен толщиной в верхнем отрубе 60—— 240 MM и соответствующая возрасту 50——200 лет, называется балан- 【 сом. Качество балансов является определяющим фактором качества получаемого из них полуфабриката. Основные требования к честву балансов устанавливаются действующими ГОСТами.
ка-
ка-
Подверженность деревьев различным заболеваниям, поражению грибками, микроорганизмами и насекомыми, благоприятной средой жизнедеятельности которых служит древесное вещество, как на корню, так и особенно при хранении заготовленной древесины обусловливает наличие в балансах пороков. Разнообразные пороки заметно снижают выход и качество полуфабрикатов, поэтому оценка качества древесины, поступающей на предприятие, имеет исключительное значение. К основным признакам, характеризующим качество балансов и устанавливаемым обычно их наружным осмотром, относятся ширина годичных колец, сучковатость, прямизна и округлость ствола, различные виды гнили.
Низкокачественная древесина. Под низкокачественной древесиной понимают круглые лесоматериалы, которые по своим качественным показателям или размерам не соответствуют стандартам и техническим условиям на деловую древесину. Основным пороком, по которому древесина переводится в разряд низкокачественной, является внутренняя гниль. Из общей. массы низкокачественной древесины в среднем 85 % составляет древесина, пораженная внутренней гнилью, и лишь 15 % имеет- другие пороки (кривизну, овальность, крень, сучковатость и т. п.).
Дрова для технологических нужд. Это древесина преимущественно лиственных пород, поставляемая предприятиям по специальным техническим условиям. Характерной особенностью дров как из лиственных, так и из хвойных пород, применяемых для технологических целей, является трудность, а то и невозможность ее окорки (может поставляться в колотом виде), высокое содержание различных гнилей, большая кривизна,' сильная сучковатость и разнообразие размеров. Кроме того, она не сортируется по породам. Получаемая из такой древесины смешанная щепа сильно засорена корой, гнилью и требует особых методов облагораживания (очистки). В связи с этим дрова могут использоваться только для варки полуцеллюлозы и целлюлозы по сульфатному методу. Использование дров экономически выгодно, так как их оптовая цена на 30——35 % ниже, чем балансов, но в то же время связано с технологическими затруднениями.
Отходы лесопиления. Это отходы периферической части ствола деловых пиловочных бревен, практически нацело состоящие из заболонной древесины хвойных и лиственных пород. Такие отходы содержат мало сучков и других пороков. Кроме того, заболонная древесина сосны не содержит фенольных веществ, поэтому отходы лесопиления являются высококачественным технологическим сырьем для производства целлюлозы сульфатным, сульфитным it другими методами варки. Отходы лесопиления поставляются на целлюлозно-бумажные предприятия в виде готовой технологической щепы.
Отходы деревообработки. В виде технологической щепы используются отходы деревообрабатывающих предприятий — фанерных, мебельных, катушечных, тарных, столярных и др. По породному составу отходы чаще всего бывают лиственные или хвойно-лиственные. Щепа из этих отходов очень неравномерна по размерам, но почти не содержит сучков и гнилей. Такая щепа успешно применяется для производства полуцеллюлозы, термохимической и термомеханической древесной массы, сульфатной, сульфитной и бисульфитной целлюлозы.
Тонко мерная древесина. Под тонкомерной древесиной понимают древесину, в большинстве случаев молодую, диаметр которой не превышает 13 см (в верхнем торце от 2 до 13 см включительно). Сюда также относятся вершины, сучья и ветви деревьев, т. е. стволовая часть лесосечных отходов, образующихся на лесозаготовительных предприятиях. В последнее время в разряд тонкомерной древесины относят плантационную молодую древесину с коротким циклом выращивания, служащую для получения «зеленой щепы», или щепы всего дерева (ЩВД), так как в этом случае стволик вместе с ветками сразу измельчается в щепу. Основную массу тонкомерной древесины представляют лесосечные отходы и молодая древесина рубок ухода, главным образом хвойно-лиственных пород. Подсчитано,-что в европейской части СССР ежегодно можно заготавливать 30 млн м3 тонкомерной древесины от рубок ухода, в том числе около 10 млн. м3 хвойных пород. Ко- 16
личество же лесосечных отходов, оставляемых на вырубках в виде недорубов и отходов лесозаготовок, которые также необходимо заготавливать, составляет значительно большую цифру — почти 100 млн. м3 древесины. Несмотря на худшие свойства щепы из тонкомерной древесины по сравнению с балансовой, использование ее экономически выгодно, особенно когда будет решена проблема комплексной механизированной заготовки, сбора, доставки, окорки и рубки этого сырья, пока же применение ее органиченно.
Технологическая щепа. Древесное сырье для выработки волокнистых полуфабрикатов используется главным образом в виде щепы. Основную массу составляет собственная щепа, получаемая из балансов непосредственно на целлюлозно-бумажных комбинатах. Все древесные отходы, низкокачественная древесина и дрова превращаются в технологическую щепу, которая поставляется на предприятия в готовом к переработке виде и должна содержать: не менее 84 % щепы нормальных размеров, не более 3 % коры, не более 6,% гнили и не более 1 % опилок, остальное — мелочь. Объем потребления привозной технологической щепы целлюлозно-бумажной промышленностью в 1980 г. возрос в 1,65 раза по сравнению с 1975 г. и достиг 12 млн. м3, что составляет более 23 % всего объема древесного сырья. В текущем пятилетии ожидается дальнейший рост объемов производства и потребления технологической щепы. Такое внимание развитию этого направления объясняется следующим： производство технологической щепы из отходов лесозаготовок и деревообработки способствует ускоренному решению важнейшей проблемы комплексного использования древесного сырья; 1 м3 щепы для технологических нужд заменяет 1 м3 балансов; затраты на привозную щепу ниже, чем на производство собственной щепы из балансов; экономический эффект в народном хозяйстве от производства и потребления технологической щепы составляет более 11 млн. р. в год.
В настоящее время на одной привозной технологической щепе в СССР работают такие крупные предприятия, как Балахнинский НКК, Майкопский ЦКЗ и Соликамский ЦБК. Около половины объема привозной щепы перерабатывается Архангельским, Котласским и Соломбальским целлюлозно-бумажными комбинатами. Более 85 % потребляемой ЦБП технологической щепы перерабатывается в сульфатную целлюлозу различного назначения.
Опилки. Значительным источником древесного сырья для получения целлюлозы представляются опилки, образующиеся в огромных количествах при распиловке заготовленной древесины. В СССР примерно 30 % годового объема заготовок древесины составляют отходы, 10—12 % которых приходится на опилки. В натуральном выражении это 12 млн. пл. м3 массы ежегодно. Около 4 млн. пл. м3 массы (по данным за 1978 г.) опилок использовалось для гидролиза, а остальные сжигались или вывозились в отвал. А между тем сульфатная целлюлоза из опилок хвойных пород по механическим показателям близка к сульфатной целлю-
2 Заказ № 56 РЕСЕЛ 一…^ j 17
лозе из древесины лиственных пород, при выходе ее на 5,% ниже, чем из нормальной щепы.
На Усть-Илимском ЛПК впервые в СССР пущено производство сульфатной целлюлозы из опилок непрерывным методом. Производительность установки 50 тыс. т в год целлюлозы из опилок. Целлюлозу в небеленом виде предусмотрено использовать в композиции картона.
Недревесное сырье. Наряду с древесиной в производстве волокнистых полуфабрикатов находит применение недревесноё сырье： однолетние растения, вторичное сырье, макулатура, причем на долю макулатуры приходится более половины указанных источников сырья.
Однолетние растения. Кроме древесины, для производства волокнистых полуфабрикатов используют однолетние растения (стебли тростника, солому хлебных злаков и т. п.), что представляет особый интерес для безлесных районов страны. Существенным преимуществом этого вида сырья является ежегодная возобновляемость, однако трудность сбора, доставки и хранения пока ограничивают его применение. Наряду с этим целлюлоза из однолетних растений придает ряд специфических свойств бумаге (повышает гладкость, непрозрачность, белизну) и поэтому является желательным волокнистым полуфабрикатом в композиции многих видов бумажной продукции.
В нашей стране, богатой тростником (тростник произрастает на площади в 5 млн. га с ежегодным приростом около 24 млн. т), его стебли используют для выработки целлюлозы по сульфатному методу. Непрерывнодействующая установка по выпуску сульфатной тростниковой целлюлозы работает в составе Астраханского целлюлозно-картонного комбината (ЦКК), где используется тростник, произрастающий в дельте р. Волги. Качество технической целлюлозы, получаемой йз стеблей тростника, близко к качеству древесной целлюлозы средней жесткости.
Вторичное сырье. Тряпье (тряпичные волокна), являясь более дефицитным по сравнению с целлюлозой волокнистым материалом, в настоящее время используется для изготовления бумаги в относительно небольшом объеме. Тряпичные волокна, получаемые из тряпья хлопчатобумажного и льняного, волокнистых отходов текстильного, канатно-веревочного и швейного производств, волокон хлопка, льна и др., длиннее и прочнее волокон древесной целлюлозы, придают бумаге и картону повышенную прочность и эластичность..Поэтому они применяются преимущественно для выработки высококачественной документной, денежной, чертежной, картографической, копировальной, писчей и многих технических видов бумаги и картона.
Макулатура. Это один из видов сырья для целлюлозно-бумажной промышленности, ресурсы которого постоянно возрастают с увеличением потребления бумаги и картона. Мировое потребление макулатуры для производства бумаги и картона к настоящему времени достигло 42——45 млн. т в год (в СССР более 2 млн. т
в год), что составляет около 27 % (в СССР 24 %) всех волокнистых материалов, расходуемых на выработку бумаги и картона. Столь значительный рост переработки макулатуры объясняется следующим: 1 т макулатуры заменяет 3—4 м3 древесины, а это позволяет экономить древесное сырье; макулатурная масса почти в 2 раза дешевле древесной массы и целлюлозы; стоимость строительства .бумажных фабрик для переработки макулатуры в 1,5 раза ниже стоимости предприятий для производства первичных полуфабрикатов; проще решаются проблемы охраны природы и рационального использования природных ресурсов. В нашей стране макулатура применяется в производстве 41 вида картона и бумаги (80 % потребления приходится на долю тароупаковочных видов).
ХРАНЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ЕЕ ПОДГОТОВКА
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА волокнистых полуфабрикатов
Доставка^ выгрузка и учет древесного сырья. Заготовленные в лесу балансы в виде долготья (длина бревен 4,5——6 м) или ко- ротья (длина бревен 1,25——1,5 м), а также технологическая щепа и дрова из соответствующих лесозаготовительных или деревообрабатывающих предприятий, доставляютЬя на целлюлозно-бумажные комбинаты водным, железнодорожным или автомобильным транспортом. Наиболее экономичным видом транспорта является сплав девесины по рекам и озерам в буксируемых плотах или баржах. Технологическая щепа поставляется специальными автощеповозами большой вместимости (от 12 до 40 м3), железнодорожными вагонами-щеповозами (до 150 м3) и водным транспортом в баржах (деревянных 250——300 м3, железных 800—— 1000 м3).
Целлюлозно-бумажные комбинаты преимущественно расположены на берегах больших рек или озер, поэтому основную массу сырья они получают сплавом в плотах и баржах и, частично, железнодорожным и автомобильным транспортом. Поскольку возможность водной доставки древесины ограничена навигационным периодом, обычно 4—5 мес в году, создается необходимость хранить на предприятиях большие запасы древесины для обеспечения их работы в течение 8—9 мес. При современных масштабах производства целлюлозно-бумажной продукции потребление древесины крупными предприятиями оценивается сотнями тысяч, а иногда и миллионами кубометров в год. Практически справиться с приемкой такой массы балайсов и дров, да еще в течение 120—— 140 дней, составляющих продолжительность приплава древесины, можно только лишь при высокой степени механизации всех работ и совершенной организации лесных складов.
Хранение древесного сырья осуществляется на лесных складах, представляющих собой открытую сухую (незатопляемую) площадку, по возможности ровную, расположенную на невысоком берегу реки с прямой береговой линией и примыкающей тихой аква-
торией. Лесной склад оснащается механизмами для выгрузки, транспортировки и укладки древесного сырья, подачи его в производство, а в некоторых случаях — распиловочный и окорочным оборудованием. Сооружение и устройство лесного склада связано с большими капитальными затратами. Поэтому определяющими факторами при выборе размеров склада, его оснащения механизмами и организации складского хозяйства, являются режим поступления и вид доставки сырья, которые должны обеспечивать хранение минимальных запасов.
На лесной бирже производятся выгрузка сырья из транспортных средств, распределение и укладка его на биржевой площадке, хранение и подача в производство. Для этого используются разнообразные механизмы: поперечные и продольные лесо- транспортеры (производительностью соответственно 100—200 и 30——60 мЗ/q) для подъема и выгрузки из воды долготья и коротья отдельными бревнами. Более современна и производительна выгрузка пучков древесины. Для подъема крупных пучков (25— 3。м3) из воды применяют рельсовые выгружатели (бремсберги, Q = 250+300 м3/ч). Универсальными механизмами, широко используемыми на биржах балансов и дров при погрузке и разгрузке барж, вагонов, автотранспорта, подъема пучков из воды, выкладке и разборке штабелей и куч, являются различные типы стреловых и мостовых кранов. Для выгрузки, перемещения и укладки в штабеля преимущественно долготья на крупных предприятиях служат мостовые и кабельные краны. Для беспорядочной укладки коротких балансов (длиной 1,25—1,5 м) в кучи при кучевом методе хранения древесины применяют кучеукладчики (стаккеры). Наиболее эффективным и производительным методом выгрузки коротья из вагонов является применение роторного вагоноопрокиды- вателя. Время разгрузки одного вагона составляет около 3 мин (20 вагонов в 1 ч).
Существует четыре метода хранения древесного сырья: в штабелях; в кучах; водный; открытый.
В шта белях могут храниться неокоренные и окоренные балансы в виде долготья (длина бревен 4,5——6 м) и коротья (1,25— 1,5 м). Для выгрузки древесины из воды или железнодорожных вагонов, укладки пучков древесины в штабеля и их разборки широко применяются различные грузоподъемные механизмы.
Древесину, прибывающую сплавом в плотах в виде крупных пучков, объемом 25——30 м3, направляют на лесной рейд, где производятся ее приемка, роспуск плотов и подача пучков к подъемным механизмам. Пучки балансов поднимают из воды и складывают в штабеля. Таким же путем выгружают древесину из барж и платформ, которые подаются под краны по железнодорожным путям.
Организации хранения балансов и технологических дров в кучах отдают предпочтение при строительстве современных целлюлозно-бумажных предприятий, так как этот метод обеспечивает лучшее использование складских помещений и высокую степень 20
механизации. Балансы хранятся только в окоренном виде в свободно насыпаемых кучах высотой до 30 м и шириной в основании до 100 м.
Выгружаемые из воды или железнодорожных платформ пучки древесины поступают на раскатный стол и далее на лесотранс- портер многопильного станка (слешера), где распиливаются на чур аки длиной 1,25—1,5 м. Распиленные балансы направляются на окорку. Окоренные балансы попадают на ленточный лесо- транспортер, а с него — на главный кабельный конвейер, транспортирующий их к кучеукладчику (стаккеру). Кучеукладчик состоит из платформы, передвигающейся вдоль и над конвейером по рельсовым-путям, к нижней части опор которой прикреплена металлическая ферма с изменяющимся углом наклона к горизонту (от О до 30°). На ферме смонтирован пластинчатый цепной транспортер. С главного конвейера балансы поступают в приемный лесонако- питель кучеукладчика, затем захватываются наклонным транспортером фермы, поднимаются на установленную высоту и, свободно падая, образуют кучу. По мере роста кучи, постепенно увеличивают угол наклона фермы кучеукладчика. Это предотвращает падение чураков с большой высоты (около 30 м при стационарном устройстве фермы), обусловливающее размочаливание торцов и их забивание землей, песком и другим сором. Передвигаясь, куче- укладчики могут укладывать балансы в кучи длиной до 500 м. Вместимость куч достигает 250 тыс. м3 древесины; производительность кучеукладчика свыше 200 м3/ч. Современные сдвоенные ку- чеукладчики могут укладывать кучи по обе стороны рельсового пути. При необходимости биржа оборудуется несколькими куче- укладчиками. -
Для подачи балансов из куч в производство используют тот же цепной конвейер кучеукладчика, для чего снабжают его реверсом, транспортирующим балансы на обратную ветвь главного конвейера, доставляющего их к промывным барабанам в древесноподготовительном цехе. Для разгрузки куч используют стреловые краны с многолопастными грейферными захватами вместимостью 3—5 м3 древесины.
При водном методе хранение древесины в зимнее время осуществляют в специально устроенных незамерзающих рейдах.
На открытых складах хранятся технологическая щепа (на открытых площадках в кучах большой вместимости) и щепа собственного изготовления. Этот метод требует значительно меньших капитальных и эксплуатационных затрат, чем хранение балансов в штабелях и кучах, и поэтому является экономически более выгодным.
Технологическая щепа, поступающая в железнодорожных вагонах или автощеповозах, разгружается в траншеи, оборудованные скребковыми транспортерами, откуда подается в производство или на' склад хранения. Разгрузку барж осуществляют стреловыми, грейферными кранами или пневматическими установками.
Насыпку куч и их разгрузку для подачи щепы в производство
осуществляют с помощью бульдозеров, винтовых конвейеров, пневмотранспортеров и ленточных транспортеров. Наиболее экономичным и удобным для насыпки куч и подачи щепы в производство является пневмотранспорт. Простота обслуживания, высокая производительность и надежность обусловили его широкое применение. Транспорт щепы осуществляется по трубопроводам потоком воздуха, создаваемым воздуходувкой. Скорость переноса щепок составляет 35—45 м/с, а концентрация щепы в потоке воздуха 3,5—6 %. Объем куч равен 150—立50 тыс. м3 щепы при высоте 25—— 30 м. Фактическая удельная загрузка площади склада достигает 6—8 м3 древесины на 1м2.
К преимуществам хранения щепы в открытых кучах относится выветривание и окисление смолы, как и при хранении балансов в штабелях и кучах, что снижает в последующем смоляные затруднения в сульфитцеллюлозном и пенообразование в сульфатцеллюлозном производствах. Механические и химические свойства целлюлозы, сваренной из щепы, хранящейся не более 6 мес, мало отличаются от свойств целлюлозы, полученной из балансов. Срок хранения щепы из древесины лиственных пород не более 3 мес. К недостаткам этого метода можно отнести потери древесины (2—5 %) от загнивания, некоторое снижение белизны целлюлозы и опасность самовозгорания куч.
Древесина учитывается в объемной мере, выражаемой в куби- ■ ческих метрах. При этом различают кубические метры складочной древесины (скл. м3) и плотной древесины (пл. м3).
В складочных кубометрах древесины выражают общий объем, занимаемый древесиной и пустотами, образованными неплотностью прилегания балансов (из-за округлости, кривизны, сучков и т. п.) или щепок друг к другу, в плотных кубометрах древесины — объем, занимаемый только древесиной. Поэтому между ними существует следующее соотношение: 1 скл. м3 древесины равен 0,72 пл. м3 древесины, или 1 пл. м3 древесины равен 1,4 скл. м3 древесины. Также принимают, что в 1 м3 щепы содержится 0,5 скл* м3 древесины или 0,33 пл. м3 древесины. 、
Подготовка древесины к переработке. Хранение древесины на лесных складах является одной из главных операций по подготовке древесины к переработке. Дальнейшие операции по подготовке балансов и дров к процессу варки целлюлозы или полуцеллюлозы сводятся к распиловке, окорке, рубке балансов в щепу, сортировке щепы и дополнительному измельчению крупной щепы. Эти операции выполняются в древесноподготовительном цехе (ДПЦ).
Производство различных видов древесной7 массы может осуществляться как из балансов, так и из щепы. Поэтому в одном случае подготовка древесины ограничивается распиловкой и окоркой, а в другом — аналогична подготовке древесины для целлюлозного производства.
,В недалеком прошлом производство волокнистых полуфабрикатов базировалось на традиционном балансовом сырье, подго-
товка которого осуществлялась непосредственно на целлюлозно- бумажных комбинатах. В последние годы ресурсы древесного сырья существенно возросли за счет вовлечения в переработку низкокачественной древесины, отходов лесозаготовок, шпало- и таропиления, лесопиления и деревообработки. Экономическая целесообразность подготовки этих видов сырья для использования в местах их непосредственного получения, вызванная более рациональным использованием государственных транспортных средств, привела к образованию широко разветвленной структуры древесноподготовительного производства (рис. 1). Основной единицей в этой структуре остается ДПЦ целлюлозно-бумажного предприятия, другими структурными звеньями являются цехи и участки лесозаготовительных, лесопильных и деревообрабатывающих предприятий-поставщиков технологической щепы [7].
Распиловка древесины. На рис. 2 показано устройство к принцип действия многопильного станка (слешера), получившего наибольшее распространение для распиловки балансов. Сле- шер состоит из смонтированного, на наклонной деревянной или металлической раме многоцепного транспортера. Цепи транспортера шарнирного типа снабжены мощными захватами и приводятся в движение от привода, расположенного под рамой, через звездочки, закрепленные на валу. Балансы поступают к слешеру лесотранспортером, с которого автоматически сбрасываются на движущийся транспортер. Захваченные балансы с постоянной скоростью (около 0,2 м/с) поочередно надвигаются на вращающиеся дисковые пилы, распиливаются на отрезки определенной длины и поступают на продольный транспортер, которым подаются к окорочным устройствам. Число пил на слешере определяется необходимым числом резов. В целлюлозном производстве 6—— 7-метровые балансы обычно распиливаются на отрезки длиной 2—2,5 м. В этом случае достаточно двух пил, как это показано на рис. 2. При распиловке балансов на более короткие отрезки для древесномассного производства число пил на слешере увеличивается до шести-семи. Диаметр пил равен 1500 мм, толщина 6 мм, производительность слешера 150—250 пл, м3 древесины в 1 ч. Потери древесины на опилки составляют 0,3%. При распиловке балансов для производства древесной массы эти потери больше (до 2——3%), так как часть древесины теряется в виде отпиливаемых торцов бревен.
Окорка древесины. Балансы перед измельчением в щепу или перед дефибрированием должны быть очищены от коры (окорены), которая плохо проваривается по сульфатному методу и совершенно не проваривается по сульфитному, сильно засоряя целлюлозу. На долю коры приходится значительная часть объема ствола, которая в среднем составляет для еловых балансов 11 %, сосновых 15, осиновых 14, березовых 13 и лиственничных 16 %.
В процессе окорки стремятся более полно очистить балансы от коры с минимальными потерями древесины, которые в любом
BnlunogmHodn 0^053Hsmos^<OCOKO^mo^< BdAWAdl。"・UHd
§^8^ £
6*dDg5纟-
£多号匚n£H疋
ЯЬОУЭИ nwnilQ X qhodg只 n^nun \j
BnH-GdnEdou
sssss^
_--- 一畋 ¥afm'3
-_ 1 —
吻
BnHDgQdnEdos - 一
-
L 3/7XD^?^^ wdo£go匚一
zvs KsoahnaaQHX阳
зпнз 丁
Iqu-ewsnoyl
ss^o
/ r}ME-D-0o 邕-3
/ KnHelrnuQoau- 2^0§G
- 3§^ >0工口鼻21言5
WEDHn空昱g^kDag&DgD影含力魯卷工зиз噬 q
吻加
§§
次切77
0
9nxaAW9£eb
§^S§CQ&£ i77 I OSes 万侶XEO -xOEOeD莒31r_q 名xtuoDHnuadQ 一~^vwgE昱攵旦 L
edoxo
iu詈 ^s^ssss^hq!3侶9nodu § nx£3Dao^
WSQXZQ^QS
E?s0
3>H9A
—gKA与
-qsHDUDg
9nx9hqy3N-
9-qHHadoMOO每¥
зёёш
зпнодп%
1伽1）喃
里 扌
s^^qxquBUJngouJoe 侶ионз-в
&DH吗士 ^3^0^ < 0§§^
методе окорки неизбежно имеют место. Определяющее значение в процессе отделения коры от древесины принадлежит силам сцепления коры с древесиной, зависящим от влажности и температуры коры. Наиболее желаемым является отделение коры по слою камбия, которое легко осуществляется в свежесрубленной летом древесине. Подсушивание древесины увеличивает силы сцепления коры с древесиной в 2——3 раза, а промораживание при температуре от ——5 до ——20 ℃ в 8——10 раз. Поэтому подсушенная и про-
Рис. 2. Устройство и принцип действия многопильного станка: пилы; 2 — продольный транспортер; 3 — наклонная рама; 4 — захват; 5 — многоцепной транспортер; 6 — звездочка
мороженная древесина окаривается очень трудно и с большими потерями. Продолжительное пребывание в воде, пропарка древесины паром или замачивание в горячей воде облегчают окорку. Это учитывается при выборе методов окорки.
В практике применяются в основном механические методы, в которых кора отделяется от ствола различными приемами: срезанием острыми ножами; трением балансов друг о друга; сдиранием по слою камбия и смыванием струей воды под очень высоким давлением. Распространение получили окорочные машины, в основу работы которых положены принципы трения и сдирания. Это окорочные станки трения и роторные окорочные станки. Наиболее широко применяются непрерывно работающие окорочные барабаны, позволяющие окаривать как коротье (барабаны со свободным заполнением), так и длинник (барабаны с параллельной укладкой баланса).
Все шире находят применение двухсекционные барабаны для полусухой и сухой окорки. Устройство и принцип действия такого барабана показаны на рис. 3. Окорочный барабан состоит из двух секций ——закрытой, для предварительной обработки баланса, и открытой, окорочной. Закрытая секция представляет собой сплошной стальной цилиндр, к внутренней поверхности которого приварены профильные балки для подрезания и разбивания коры.
Открытая секция также имеет вид барабана, собранного из профильных балок, между которыми имеются продольные щели величиной 60 мм. Для повышения эффективной окоркн балки обращены ребрами внутрь барабана. Барабан устанавливается на роликовые опоры и приводится в движение приводом. Внутренний диаметр барабана 3850 мм, длина 20570 мм, частота вращения 6 мин-1.
Балансы длиной от 1 до 2,5 м подаются с торца барабана в закрытую секцию, заполняя барабан на 50——60 % и за счет враще-
Рис. 3. Устройство и принцип действия барабана для сухой окорки баланса:Рис. 3. Устройство и принцип действия барабана для сухой окорки баланса:1 — открытая окорочная секция; 2 — щели для удаления коры; 3 — вытяжная вентиляция；4 十 неокоренный баланс; 5 — закрытая секция; 6 — опорный ролик； 7 ——транспортер отходов 、 окорки; 8 — корорубка; 9 — кольцевой спрыск； 10 — транспортер окоренных балансов; 〃一 подвижный затвор;丿2 — окоренный баланс： /3 — профильные балки1 — открытая окорочная секция; 2 — щели для удаления коры; 3 — вытяжная вентиляция；4 十 неокоренный баланс; 5 — закрытая секция; 6 — опорный ролик； 7 ——транспортер отходов 、 окорки; 8 — корорубка; 9 — кольцевой спрыск； 10 — транспортер окоренных балансов; 〃一 подвижный затвор;丿2 — окоренный баланс： /3 — профильные балки
Рис. 3. Устройство и принцип действия барабана для сухой окорки баланса:
Рис. 3. Устройство и принцип действия барабана для сухой окорки баланса:
1 — открытая окорочная секция; 2 — щели для удаления коры; 3 — вытяжная вентиляция；
4 十 неокоренный баланс; 5 — закрытая секция; 6 — опорный ролик； 7 ——транспортер отходов 、 окорки; 8 — корорубка; 9 — кольцевой спрыск； 10 — транспортер окоренных балансов; 〃一 подвижный затвор;丿2 — окоренный баланс： /3 — профильные балки
1 — открытая окорочная секция; 2 — щели для удаления коры; 3 — вытяжная вентиляция；
4 十 неокоренный баланс; 5 — закрытая секция; 6 — опорный ролик； 7 ——транспортер отходов 、 окорки; 8 — корорубка; 9 — кольцевой спрыск； 10 — транспортер окоренных балансов; 〃一 подвижный затвор;丿2 — окоренный баланс： /3 — профильные балки
ния барабана переваливаясь и ударяясь о его стенки и один о дру- гЪй, медленно продвигаются к противоположному, выфузочному концу. При таком характере передвижения балансов происходит. интенсивное разрушение и сдирание с них коры. Сдирание коры облегчат пропарка и увлажнение древесины паром в закрытой секции, который подается туда под давлением 0,6 МПа. Избыток пара из барабана удаляется вытяжной вентиляцией. Расход пара на окорку 1 пл. м3 древесины 20—25 кг. Основная масса коры с балансов удаляется в открытой окорочной секции. Кора влажностью 40 % проваливается через щели, попадает на транспортер, подающий кору и другие отходы окорки (отколотые щепки, опилки и т. п.) на корорубку. Потери древесины составляют 0,5——2 %.
Время пребывания балансов в барабане зависит от их свойства и состояния (мороженые, лежалые, лиственные) и регулиру- 26
ется подвижным затвором. Пройдя барабан, окоренный баланс поступает на транспортер, с него на рольганг, где прилипшая к нему кора и сор сдуваются сжатым воздухом или смываются водой при помощи спрысков. Далее баланс поступает на измельчение. Производительность барабана 35—50 пл. м3/ч.
К преимуществам сухой окорки относятся: уменьшение расхода воды на окорку в 10 раз (при применении обмыва) или полное отсутствие потребления воды (при обдуве воздухом), позволяющее получить после окорки сухую кору (сухость 60 %); отсутствие надобности применения короотжимных прессов; снижение эксплуатационных расходов.
Рассмотренный принцип работы характерен для всех типов окорочных барабанов. Отечественная промышленность выпускает окорочные барабаны КБС для окорки дров и отходов лесозаготовок и КБ для окорки балансов и дров. Производительность барабанов 50—200 м3/ч. Из другого окорочного оборудования в последние годы широкое применение нашли роторные окорочные станки, позволяющие получать сухую кору, которая после измельчения направляется на сжигание.
Использование отходов окорки. Отходы окорки достигают 15 % объема перерабатываемой древесины. Для предотвращения загрязнения окружающей среды их необходимо утилизировать. Наиболее простым и распространенным способом использования отходов является сжигание их в специальных топках паровых котлов. При мокром способе окорки влажность коры составляет 75—85 %. В этом случае ее нужно обезвоживать до сухости 40—45 %. Воду удаляют при помощи водоотделительных барабанов или короотжимных прессов. Теплота сгорания отжатой коры 6000—7000 кДж/кг, что делает процесс сжигания рациональным. Кору можно использовать для производства строительных плит и картонов, для химической переработки и получения сельскохозяйственных удобрений.
Рубка балансов в щепу. Задачей рубки является измельчение окоренных балансов в щепу, однородную по размерам (длина 16——20 мм, ширина 20—25 мм, толщина 2—3 мм) и с гладким отрубом. Повсеместно на целлюлозных заводах балансы измельчают дисковыми многоножевыми рубительными машинами (рис. 4). Рабочим органом рубительной машины является стальной диск с радиально расположенными ножами. Диск закреплен на горизонтальном стальном валу в трех подшипниках и приводится в движение приводом. Диаметр диска составляет 2——4 м, число ножей от 8 до 16, частота вращения до 650 mhh-L
Балансы по наклонно расположенному (угол наклона от 45 до 50° к горизонту) питательному патрону один за другим подаются к диску и попадают под удары ножей. Режущие кромки ножей, взаимодействующие с упорным ножом, отрубают от бревна шайбы толщиной 15——25 м, которые фасками ножей раскалываются вдоль волокон на отдельные кусочки, проскакивают сквозь прорези диска на его другую сторону и, ударяясь о стенки ко-
жуха, дробятся в щепки. Толщина отрубаемых шайб регулиру1 ется выступом ножа над диском. Лопатками, укрепленными на ободе диска, по патрубку щепа вместе с потоком воздуха выбрасывается в циклон или бункер. Освободившись от щепы в циклоне или бункере, воздух возвращается обратно в кожух рубительной машины по всасывающему воздухопроводу.
Основной особенностью работы многоножевой рубительной машины (в отличие от малоножевой) является непрерывность
Рис. 4. Устройство дисковой многоножевой рубительной машины и принцип измельчения балансов:
4ат統*•呼；3 — всасывающий воздухопровод; 4 — прорезь в диске； 5 —
патрубок, 6-питающий патрон； 7 - кожух； 5-лопатка; 5 - привод! ^ - диск-маховик；
〃 一баланс; 12 — упорный нож
процеса рубки: каждый последующий нож входит в древесину до выхода из нее предыдущего, как показано на рис. 4. Это обеспечивает затягивание балансов в машину и исключает их подпрыгивание. Щепа получается лучшего качества — более мелкая и однородная по размерам [3].
Отечественная промышленность4 выпускает рубительные машины МРН-100 и МРН-150, МРН-300 производительностью 100, 150 и 300 пл. м3/ч. Расход электроэнергии на рубку балансов 3— 4 кВт-ч на 1 м‘ древесины. В результате рубки получается около 90 % нормальной щепы (это щепа указанных выше размеров, применяемая для варки), примерно 8 % крупной щепы и 2 % отходов в виде опилок и пыли. Крупная щепа поступает на дополнительное измельчение (дезинтегрирование) и возвращается в общий поток. Общий выход нормальной щепы после рубки и дезинтегрирования составляет около 97 %, остальные 3 % —отходы [7]. Для измельчения в щепу долготья в современных рубительных машинах применяют горизонтальную подачу древесины, обеспечивающую получение щепы более высокого качества.
Сортирование, транспортирование и хранение щепы. В процессе рубки наряду с нормальной щепой образуются мелочь и крупные куски, которые отделяются от нее сортирова-
нием. Сортирование щепы осуществляется при помощи плоских сортировок. Сортировка (рис. 5) состоит из металлического короба, установленного под углом 20° к горизонту, в котором одно над другим укреплены три сита: верхнее с отверстиями 30 X 30 мм, среднее с отверстиями 10 X Ю мм и нижнее с отверстиями 5 X X 5 мм. Короб укрепляют на фундаменте или подвешивают так, что он может совершать колебательные движения (до 150 в 1 мин) в горизонтальной плоскости от специального механизма.
Рис. 5. Устройство плоскойсортировки:
/ ~ приемный карман; 2 — металлический короб; 3、一сита;
4 — циклон -
Щепа с рубительной машины выбрасывается в циклон, где, входя по касательной к цилиндрической стенке, теряет скорость и падает в нижнюю часть циклона. Из циклона щепа попадает на ленточный транспортер и направляется на сортировку. Несортированная щепа подается в приемный накопитель и распределяется по поверхности верхнего сита. Благодаря наклону сортировки и ее колебательным движениям щепа, продвигаясь вдоль поверхности сит, просеивается, разделяясь на фракции (крупная щепа, нормальная щепа, мелкая щепа, опилки и пыль), которые задерживаются верхним, средним, нижним ситами и поддоном короба. Нормальная и мелкая щепа объединяются в общий поток и ленточным транспортером подаются в варочный цех. Крупная щепа своим транспортером подается на дезинтегратор, после чего возвращается на сортирование. Опилки и пыль с поддона короба направляются на утилизацию (чагце всего на сжигание в топках паровых котлов).
Производительность сортировок марки СЩ, выпускаемых отечественной промышленностью (СЩ-60, СЩ-120, СЩ-500), от 60 до 900 м3 щепы в 1 ч. Отсортированная щепа из ДПЦ Поступает в бункера варочного цеха или в промежуточные наземные бункера-силосы, в которых запас обычно обеспечивает суточную работу целлюлозного завода. Щепа в бункера подается ленточными транспортерами, ковшовыми элеваторами или пневматическими установками.
ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ，
Рнс. 6. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлоз- иого завода:Рнс. 6. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлоз- иого завода:/ — варочный цех; II — промывной цех; III — очистный цех： IV — цех регенерации; / — варочный котел； 2 — выдувной резервуар; 3 — сучколовитель; 4 — промывной фильтр; 5 —— сборник щелока; 6 — сортировка; 7 — центриклинер; 8 — сгуститель： 9 — бассейн целлюлозы; 10 — сборник белого щелока; 11 — известерегенерационная печь; /2 — каустизатор； 13 — рас- творитель плава； 14 — содорегенерационный котлоагрегат; /5—выпарной аппарат/ — варочный цех; II — промывной цех; III — очистный цех： IV — цех регенерации; / — варочный котел； 2 — выдувной резервуар; 3 — сучколовитель; 4 — промывной фильтр; 5 —— сборник щелока; 6 — сортировка; 7 — центриклинер; 8 — сгуститель： 9 — бассейн целлюлозы; 10 — сборник белого щелока; 11 — известерегенерационная печь; /2 — каустизатор； 13 — рас- творитель плава； 14 — содорегенерационный котлоагрегат; /5—выпарной аппаратОбщая схема производства сульфатной целлюлозы. Начало, 1 щелочным методам варки положило применение в 1853—1854 гг. 1 едкого натра (натронной щелочи NaOH) для варки соломенной ] и древесной целлюлозы. В 1879 г. немецкий инженер Даль пред- | ложил потери щелочи в натронно-целлюлозном производстве воз- j мещать добавкой в систему регенерации дешевого сульфата на-]
Рнс. 6. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлоз- иого завода:
Рнс. 6. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлоз- иого завода:
/ — варочный цех; II — промывной цех; III — очистный цех： IV — цех регенерации; / — варочный котел； 2 — выдувной резервуар; 3 — сучколовитель; 4 — промывной фильтр; 5 —— сборник щелока; 6 — сортировка; 7 — центриклинер; 8 — сгуститель： 9 — бассейн целлюлозы; 10 — сборник белого щелока; 11 — известерегенерационная печь; /2 — каустизатор； 13 — рас- творитель плава； 14 — содорегенерационный котлоагрегат; /5—выпарной аппарат
/ — варочный цех; II — промывной цех; III — очистный цех： IV — цех регенерации; / — варочный котел； 2 — выдувной резервуар; 3 — сучколовитель; 4 — промывной фильтр; 5 —— сборник щелока; 6 — сортировка; 7 — центриклинер; 8 — сгуститель： 9 — бассейн целлюлозы; 10 — сборник белого щелока; 11 — известерегенерационная печь; /2 — каустизатор； 13 — рас- творитель плава； 14 — содорегенерационный котлоагрегат; /5—выпарной аппарат
трия Na2SO4 взамен дорогостоящих кальцинированной Na2cОз или каустической соды. Полученный в результате варочный раствор наряду с едким натром содержал значительное количество сфнистого натрия Na2S, благоприятно сказавшегося на выходе и качестве целлюлозы. Новый метод варки получил название сульфатного. Схема производства сульфатной целлюлозы и состав сульфатцеллюлозного завода показаны на рис. 6.
Щепа, подготовленная в ДПЦ для производства целлюлозы, поступает в варочный цех, где она варится с варочным щелоком в котлах периодического или непрерывного действия при температуре 165—178 °C и давлении 0,7—1,2 МПа. После варки целлюлозная масса в промывном цехе отделяется от отработанного щелока и промывается, очищается в очистном цехе и направляется на обезвоживание и сушку в сушильный цех или же на отбелку в отбельный цех, а затем в сушильный. Отработанный щелок направляется в цех регенерации для регенерации щелочи и получения варочного щелока. Переработка побочных продуктов сульфатной варки осуществляется в специальном цехе.、
Состав и характеристика белого щелока. Водный раствор химикатов, применяемый для варки волокнистых полуфабрикатов, называют варочным раствором. Варочный раствор, содержащий в качестве активных химических компонентов смесь едкого натра и сульфида натрия в определенном соотношении, получил название сульфатного варочного щелока или белого щелока. Отработанный щелок (после завершения варки) из-за его темного цвета получил название черного щелока. Кроме едкого натра и сульфида натрия, белый щелок содержит некоторое количество соды、а2coз, сульфата натрия Na2SO4 и других солей натрия. Поскольку активное действие на древесину оказывают только едкий натр и сульфид натрия, суммарное их количество NaOH+Na2s называют активной щелочью белого щелока. Суммарное количество NaOH 4- + Na?S + Na2cОз называют общей щелочью. Сумму всех солй натрия, имеющихся в белом щелоке, называют всей щелочью.
Практическое значение имеют следующие характеристики белого щелока, %:
. Активная щелочь
Степень активности (активность) =Вся телоаь *
厂 工 / 、 Сульфид натрия 1ПП Степень сульфидности (сульфидиость) = А^тлвна只 ш^очь 侬・
В производственных условиях активность белого щелока достигает 85—90 %, а сульфидиость 20—35 %. В целлюлозном производстве количественное содержание компонентов принято переводить в эквиналентное количество окиси натрия Na?。или едкого натра NaOH и выражать в единицах Na?。(ед. Na?。)или в единицах NaOH (ед. NaOH). ,
Для успешного проведения варки количество активной щелочи задается в определенном отношении к массе абсолютно сухой щепы и называется расходом активной щелочи на варку. Расход активной щелочи выражают в процентах или в килограммах NaOH или килограммах Na?。. Расход щелочи зависит от требуемой степени делигнификации целлюлозы и составляет 15—22 % в ед. Na?。от массы а. с. древесины. Концентрация активной щелочи в белом щелоке колеблется в пределах 70——120 г NasO/л или 90——155 г NaOH/л. Для пересчета ед. NasO в ед. NaOH и наоборот можно пользоваться соотношениями: ед. NaOH =ед. Na2O-1,290; ед. Ыа2О = ед. NaOH-0,775.
Задача, химизм и механизм варки. Задачей варки является более полное выделение целлюлозного волокна из древесной ткани в неповрежденном виде. Выделение целлюлозного волокна из Древесной ткани основано на том, что лигнин, вследствие наличия в нем разнообразных реакционно-активных функциональных групп, более легко поддается разрушительному действию щелочных, кислотных и окислительных химических реагентов по сравнению с целлюлозой и гемицеллюлозами. Кроме того, характер распределения лигнина в древесной ткани способствует защите целлюлозы от
реагентов до момента удаления его основной массы, после чего целлюлоза становится более доступной действию реагентов и также начинает разрушаться. По мере уменьшения содержания лигнина в клеточной стенке скорость его удаления замедляется, а скорость разрушения целлюлозы увеличивается и может достичь скорости удаления лигнина. Момент равенства наступает при достижении содержания лигнина в клеточной -стенке 1—2 % по отношению к начальному содержанию в древесине. Очевидно, что дальнейшее продолжение варочного процесса приводит лишь к значительному разрушению целлюлозы и ухудшению ее свойств. Поэтому варку заканчивают до достижения указанного мо- мента, обычно руководствуясь заданной жесткостью (остаточным содержанием лигнина) получаемого волокнистого полуфабриката.
Многообразие связей в полимолекуле лигнина, возникающих между отдельными структурными элементами при образовании его полимолекулы, обусловливает их различную устойчивость к действию химических реагентов. Для действия водных растворов щелочей и кислот при повышенной температуре наиболее уязвимы преимущественно простые эфирные связи р—0—4, по которым полимолекулы лигнина распадаются на отдельные фрагменты, способные растворяться и переходить из клеточной стенки в варочный раствор. Такой тип реакций относится к реакциям гидролитической деструкции, обусловливающим растворение и удаление лигнина.
В образующихся фрагментах освобождаются фенольные гидроксильные группы и появляются активные группировки бензилового спирта со свободным фенольным гидроксилом, которые способны к реакциям конденсации лигнина (объединению фрагментов лигнина между собой) под действием тех же катализаторов — кислот и щелочей. Реакции конденсации приводят к образованию новых прочных углерод-углеродных связей, увеличивающих молекулярную массу лигнина и резко снижающих его растворимость и реакционную способность.
Повышение температуры и концентрации щелочи или кислоты усиливает реакции конденсации, которые при высокой температуре становятся преобладающими над реакциями гидролитической деструкции лигнина. Следовательно, в противоположность реакциям гидролитической деструкции реакции конденсации препятствуют растворению-и удалению лигнина.
Таким образом, в условиях щелочной (сульфатной) или кислотной (сульфитной, бисульфитной) варок одновременно протекает два конкурирующих процесса — гидролитическая деструкция лигнина и его конденсация. Выделить целлюлозу из растительной ткани можно только лишь обеспечив преимущественное протекание процесса деструкции и растворения лигнина. Для этого необходимо более полно блокировать образующиеся активные группировки бензилового спирта. Эту роль выполняют сульфид натрия (ионы гидросульфида SH-) в сульфатном и бисульфит (ионы бисульфита HSOT)в сульфитных варочных процессах.
Присоединение ионов SH~ (сульфидирование) и HSOr (сульфонирование), проникающих в толщу клеточных стенок к активным группам лигнина с варочным раствором, начинается и продолжается в твердой фазе. Этому способствуют высокая концентрация активных реагентов в исходном варочном растворе и умеренная температура в начале варки. Достигнув определенной степени сульфидирования (сульфонирования), лигнин начинает растворяться и переходить в варочный раствор. Интенсивному удалению лигнина из древесной ткани способствует высокая температура варки, которая в этот момент достигает своего максимального значения. На более ранних стадиях варки лигнин удаляется преимущественно со вторичной стенки, а затем происходит удаление лигнина межклеточного вещества. К концу варки лигнин межклеточного вещества почти полностью растворяется, древесная ткань распадается на отдельные клетки, в стенках которых еще остается некоторое количество лигнина — остаточный лигнин [3, 5].
Целлюлоза и гемицеллюлозы не остаются безучастными в варочных процессах. Гемицеллюлозы большей частью (особенно легкогидролизуемые) разрушаются и переходят в варочный раствор. Частично также разрушается и целлюлоза, но варку всегда стремятся вести так, чтобы она выделялась полнее и в менее поврежденном виде. В целлюлозах, предназначенных для производства бумаги, стремятся по возможности больше сохранить гемицеллюлозы.
Влияние основных факторов 中а сульфатную варку. Под факторами понимают физические фличины, свойства растворов и сырья, изменением которых можрО управлять скоростью делигнификации и качеством полу чае мор полуфабриката. К основным факторам варки относятся: температура; расход активной щелочи на варку и концентрация ее в варочном растворе; сульфидность белого щелока; порода и качество древесины.
Температура ва рки ——это легко изменяемый и наиболее действенный фактор, влияющий на скорость делигнификации и, следовательно, определяющий продолжительность варки. В практике руководствуются следующим правилом: при повышении тем- пер ату ры варки на каждые 10 ℃ продолжительность варки до одинакового выхода полуфабриката из древесины сокращается вдвое. Интервал температур, используемый при сульфатных варках, равен 165—185 ℃. Температура ниже этого интервала суще^ ственно удлиняет варку, а выше — значительно снижает выход и качество целлюлозы.
Теоретический расход активной щелочи на нейтрализацию всех кислых продуктов реакции в пересчете на массу исходной абсолютно сухой древесины составляет 12 % в ед. Na?。. Однако для нормального хода варки необходимо иметь избыток щелочи, СЬставляющий 50—100 % теоретически необходимого. Увеличение степени делигнификации требует повышения расхода щелочи (табл. 3).
ТАБЛИЦА 3
Целлюлоза
Выход, %
Содержание、 остаточного лигнина, %
Расход активной щелочи, кг Na2O на 1 т в. с. ц
Высокого выхода
53—55
10—12
260—200
Жесткая
48—49
6—7
330—300
Изоляционная
45—46
4—5
360—330
Повышение расхода щелочи в 2 раза в интервале выходов 40— 50 % сокращает продолжительность варки до одинаковой степени делигнификации вдвое.
Расход активной щелочи на варку Д, кг, в расчете на 1 т воздушносухой целлюлозы (в. с. ц.) определяется по формуле
Д = 880а/6,
где Q ——расход активной щелочи Na2O, % массы а. с древесины; 6 — выход целлюлозы по варке, %; 880 — содержание абсолютно сухой целлюлозы, кг, в 1 т в. с. ц.
Концентрация активной щелочи при варке тесно связана с расходом щелочи и жидкостным модулем варки (гидромодуль). Обычно гидромодуль — отношение объема жидкости в варочном аппарате к массе а. с. древесины ——изменяется мало и составляет (4 + 4,5) : 1. Поэтому повышение расхода щелочи ведет к повышению ее концентрации и наоборот. Концентрация активной щелочи в варочном щелоке находится в пределах 30——60 г/л Na2O или 40—80 г/л NaOH. Увеличение концентрации щелочи вдвое, так же как и ее расхода, сокращает продолжительность варки до одного и того же выхода вдвое. Одновременное увеличение и расхода и концентрации щелочи сокращает продолжительность варки до достижения одинаковой степени делигнификации примерно в 4 раза.
Сульфидность бел ого щелока в пределах 16—40%、 положительно сказывается на результатах варки. Увеличение суль- фидности ускоряет варку, повышает прочность и равномерность провара целлюлозы, уменьшает содержание в ней остаточного лигнина.
Порода и качество древесины оказывают непосредственное влияние на сульфатную варку. Из ели и сосны получается примерно равноценная по качеству сульфатная целлюлоза, но выход целлюлозы из ели на 1——1,5 % выше. Выход целлюлозы из березовой древесины на 1—2 % выше, чем из еловой, а из осины несколько ниже, примерно на 2 %, что объясняется различной объемной массой древесины и химическим составом.
Варка целлюлозы в котлах периодического действия. Периодический метод варки сульфатной целлюлозы осуществляют в стационарных вертикальных котлах вместимостью 100, 125, 160
л 200 м3, изготовляемых из мягкой котельной стали. Внутренние стенки котлов облицованы нержавеющей сталью, а наружные для снижения потерь тепла покрыты изоляцией толщиной 75——100 мм. Схема стационарного варочного котла, оборудованного системой принудительной циркуляции щелоков и непрямого обогрева, показана на рис. 7.
Варочный котел представляет собой цилиндрический сосуд, переходящий с обеих сторон в конусообразное сужение, заканчивающееся вверху загрузочной горловиной диаметром 800 мм, внизу — вьь грузочной диаметром 700 мм. Диаметр цилиндрической части котлов 3600—4500 мм, общая высота 13 300—16 900 мм. Котлы отличаются вместимостью и системами принудительной циркуляции. На рис. 7 показан котел, оборудованный системой Шауфельбергера— Эско. Штуцера для забора щелоков располагают в середине цилиндрической части,
Рис. 7. Схема стационарного варочного котла для сульфатной варки：
1 ——циркуляционный насос; 2 ——корпус； 3 —— всасывающий трубопровод; 4 ——заборный патрубок； 5 — сига; 6 — уровень щелока; 7 — щепа; 8 — сдувочный патрубок； 9 — бункер; 10 — загрузочная, горловина; И — кольцевой спрыск； 12 ——колонки управляющих задвижек； 13 — нагнетательные трубопроводы； 14 — подогреватель; 15 ~ изоляция; /6 — патрубок подачн пара; /7 — выдувной вентиль; /8 ——выгрузочная горловина
где, во избежание попадания во всасывающие трубопроводы щепы, устанавливают пояс сит с отверстиями 6——9 мм. Обратно в котел щелок подают в верхнюю и нижнюю конусные части. Циркуляционный насос должен обеспечивать 9——15-кратный обмен щелока в котле за время заварки, или !/ю объема котла в минуту. Для эффективного нагрева щелоков, необходимо, чтобы на 1 м3 объема котла приходилось 0,9——1,4 м2 греющей поверхности подогревателя. 、 ~
Загрузка котла щепой. Щепу загружают в котел избун- 嘗ров, расположенных над котлами, или из наземных складов. Дня облегчения высыпания щепы из бункеров на их нижней, конусной части устанавливают вибраторы. Из наземных складов
щепу непосредственно в котлы подают ленточными транспортерами. Как в первом, так и во втором способе загрузки щепа в котел насыпается свободно. Плотность насыпки щепы в котел характеризуется степенью заполнения, показывающей, какой объем древесины в плотных м3 содержится в 1 м3 вместимости котла. При свободной загрузке щепы в котел степень заполнения составляет 0,3—0,35. Чем больше степень заполнения, тем выше выход целлюлозы с 1 м3 котла за варку и, следовательно, выше производительность котла. Поэтому степень заполнения всегда стремятся повысить. Для этого пользуются специальными приемами: применяют паровые уплотнители или же чаще всего проводят пропарку щепы паром и поливку ее белым щелоком. Для этого одновременно с загрузкой щепы в нижнюю часть котла подают пар, а сверху через циркуляционные спрыски—щелок. Таким образом, степень заполнения повышается до 0,4—0,43, кроме того, прогрев щепы обеспечивает удаление из нее части воздуха и повышение температуры содержимого котла, ускоряющие последующую пропитку щепы варочным щелоком и саму варку.
Заливка щелоков. Объем белого щелока на варку рассчитывают, исходя из принятого по технологическому режиму расхода активной щелочи для получаемого вида целлюлозы и концентрации активной щелочи в белом щелоке. Заливку щелока осуществляют из бака-мерника специальным или циркуляционным насосом варочного котла и частично совмещают с загрузкой щепы. Обычно расчетный объем белого щелока составляет 0,25——0,3 вместимости варочного котла. Щелок, пропитывая щепу, разбавляется содержащейся в ней влагой, и с учетом этого разбавления гидромодуль в котле устанавливают на уровне 2 :1. Недостающее количество жидкости до гидромодуля (4+4,5) : 1 восполняется черным щелоком. Этот прием позволяет повысить концентрацию сухих веществ в черном щелоке и снизить расход пара на выпарку щелоков в системе регенерации щелочи. Белый щелок, поступающий из системы регенерации концентрацией 70—120 г Na2OM, в котле черным щелоком и влагой щепы разбавляется до концентрации 30—60 г Na2OM; с такой концентрации начинается варка, В практике в котел стремятся равномерно и одновременно закачивать белый и черный щелоки. Начальный pH щелока находится в пределах 12—13. При периодической сульфатной варке варочные котлы не заполняются щелоком полностью «под крышку». Общий объем щелоков в котле по возможности должен быть меньшим, что сокращает расход пара на варку и выпарку щелоков. Для современных варочных котлов, оборудованных мощными циркуляционными системами с непрямым нагревом щелоков (че* рез подогреватели), объем жидкости на 1 м3котла в момент варки может быть принят 500—600 л.
Варка. После закачки щелоков котел герметизируют и на- чинают варку. Варку целлюлозы проводят по определенному режиму, для характеристики которого используют температурный график, изображаемый в координатах продолжительность — тем- 36
пература. На рис. 8 показан температурный график сульфатной варки жесткой небеленой целлюлозы. Подъем температуры в котле осуществляют нагревом щелока в подогревателе, через который его непрерывно прокачивают циркуляционным насосом. Количество пара, подаваемого в подогреватель, регулируется системой автоматического ведения процесса варки или же вручную варщиком по заданному заранее температурному графику. Все время варки условно разделяется на два периода: заварку —
Продолжительность варки^чПродолжительность варки^чподъем температуры в котле от начальной (50 ℃) до конечной температуры варки (168℃)—и стоянку на конечной температуре (собственно варку). Одновременно с подъемом температуры (кривая /) поднимается и давление пара в котле (кривая 2).
Продолжительность варки^ч
Продолжительность варки^ч
Рис, 8. Температурный график сульфатной варки небеленой целлюлозы: / — температура; 2 — давление
Назначение заварки — равномерная по всей толще пропитка щепы варочным щелоком до достижения конечной температуры варки. Заварка проходит при непрерывном нагреве щелока и его циркуляции в котле. Ускорению проникновения щелока в толщу щепы способствуют удаление воздуха из щепы в процессе пропарки, циркуляция щелока и постепенный подъем температуры в процессе заварки. При правильном ведении предшествующих операций (пропарки, заливки щелоков, постоянной циркуляции щелока) к концу заварки щепа оказывается полностью и равномерно пропитанной щелоком.
При варке такой щепы процесс делигнификации происходит одновременно по всей ее толще. Целлюлоза получается равномерно проваренной и высококачественной. При неудовлетворительной пропитке наружные слои щепы провариваются значительно быстрее внутренних, в результате чего получается целлюлоза с неравномерным проваром и неоднородного качества. Скорость пропитки зависит от размеров, однородности и влажности щепы, температуры и продолжительности заварки. Влажная древесина пропитывается быстрее сухой. Пропитка щепы щелочными Bapoq- ннмц растворами происходит легко и сравнительно быстро и обычно заканчивается еще в период заварки при достижении температуры 120—130 ℃, после чего получают значительное разви・ тне химические процессы, присущие собственно варке.
В перйод заварки из щепы удаляется воздух и образуются ле- тучне продукты： скипидар, метиловый спирт, метилсернистые со-
единения, которые затрудняют подъем температуры до конечной. Поэтому часть парогазовой смеси удаляют через сдувочный патрубок——производят так называемую терпентинную сдувку. Начинают ее при температуре 120——130℃ и продолжают до конечной, на что указывает излом ветви подъема температуры на графике (см. рис. 8). Продукты сдувки направляют на специальные установки, где из них выделяют скипидар, метиловый спирт и др.
Летучие метилсернистые соединения (метилмеркаптан СНз— S—Н, диметил сульфид СНз—S—СНз и сероводород H2S), имеющие неприятный запах, относят к дурнопахнущим газам. Эти газы обусловливают специфический неприятный запах сульфатцеллюлозного производства. Во избежание загрязнения воздушного бассейна дурнопахнущие газы необходимо улавливать и обезвреживать. Конденсат, полученный при улавливании летучих метилсер- нистых соединений, под названием сульфана используют для придания запаха бытовому газу.
Процесс собственно варки начинается с момента достижения в котле конечной температуры, заданной по технологическому режиму (168℃). На конечной температуре котел выдерживается предусмотренное температурным графиком время. В период варки подача пара в подогреватель щелока сокращается, а циркуляция щелока продолжается до конца варки. Варка продолжается главным образом за счет тепла, выделяемого протекающими химическими реакциями. Свежий пар расходуется для компенсации потерь тепла и стабилизации процесса. В этот период интенсивно растворяется и переходит в варочный щелок лигнин клеточных стенок, межклеточного вещества и другие продукты разрушения древесины.
Перед заваркой щепа в котле, как показано на рис. 7, полностью не покрыта щелоком, а в верхней части орошается нм. В процессе заварки и варки, по мере перехода в щелок веществ древесины, щепки постепенно уменьшаются в размере, сохраняя прежнюю форму. Уровень твердой фазы (щепок) за счет уплотнения снижается и к концу варки в котле образуется целлюлозная масса. Целлюлозные волокна в ней большей частью удерживаются в форме щепок, легко разделяющихся на отдельные волокна. Окончание варки определяют, руководствуясь температурой и временем заданного режима, а также по пробе массы, отобранной в конце варки через специальный штуцер. На многих сульфатцеллюлозных заводах варка целлюлозы в котлах периодического действия в настоящее время полностью автоматизирована.
Опоражнивание котла. После окончания варки котел опоражнивают выдувкой целлюлозной массы в выдувной резервуар или промывной диффузор с рабочего давления (1-й метод) или с пониженного давления (2-й метод). По 2-му методу давление в котле с рабочего 0,83—0,85 МПа снижают до 0,4—0,5 МПа, делают так называемую конечную сдувку, и с этого давления проводят выдувку. На большинстве целлюлозных заводов конечную
сдувку не производят и выдувают массу из котла в выдувной резервуар с полного рабочего давления.
Выдувной резервуар ——это приемная емкость, в которой накапливается перед промывкой масса из котлов и выделяются пары вскипания, образующиеся в большом объеме цри выдувке. По форме выдувной резервуар напоминает варочный котел, состоящий из цилиндрической средней части высотой 6——8 м, заканчивающийся конусами ——верхним высотой 5——7 м и нижним высотой 2—4 м. Общая высота резервуара 16——22 м. Рабочая вместимость его должна составлять не менее трех вместимостей варочного котла (от 600 до 1600 м3).
Группу варочных котлов (4——6) соединяют с выдувным резервуаром трубопроводом, который подведен по касательной к верху цилиндрической части. Масса из котла поступает в верхнюю часть резервуара по касательной к внутренней стенке. Пары вскипания отводятся в теплоулавливающую установку, а масса концентрацией 11——12 % поступает в рабочий объем резервуара. В нижний конус подается черный щелок для разбавления массы до концентрации 3—5 %. Разбавленную массу насосом откачивают на промывку. Выдувной резервуар рассчитан на рабочее давление 0,1 — 0,11 МПа. При большем числе варочных котлов устанавливают два выдувных резервуара.
Осмотр котла. Осмотр проводят с помощью переносного светильника, опускаемого внутрь котла. Цель осмотра — проверка готовности котла к варке.
Сумма продолжительностей перечисленных операций от загрузки котла щепой до его осмотра составляет полный оборот котла.
Режимы периодической сульфатной варки. В промышленности главным образом нашли распространение медленный и быстрый режимы сульфатной варки. Для медленной варки характерна невысокая конечная температура 165—168 ℃. Целью такой варки, график которой рассмотрен на рис. 8, является получение высококачественной прочной целлюлозы с повышенным выходом из древесины (выход 52—55 %).
Быстрая варка применяется преимущественно для получения целлюлозы высокого выхода (ЦВВ) (55—65 %) и целлюлозы нормального выхода — ^реднежесткой (48—52 %) и мягкой (бели- мой)——35——40%. Для нее характерны пропарка щепы, повышенный расход щелочи, быстрая заварка, повышенная конечная температура варки (174——178℃) и выдувка массы с полного давления. На сульфатцеллюлозных заводах оборот котла для варки различных видов целлюлозы составляет 4—8 ч. В табл. 4 приведены режимы варок некоторых видов целлюлозы на отечественных предприятиях.
Непрерывная варка. сульфатной целлюлозы. Разработка непрерывного метода варки, впервые осуществленного в СССР проф. Л： П. Жеребовым в 1936 г. и получившего воплощение е 50-е годы в установках 《Камюр》и «Хемипальпер-Пандия», яви-
ТАБЛИЦА 4
Операция
Целлюлоза
для мешочной бумаги
для электроизоляционных бумаг
для электрокартона
Загрузка щепы с пропаркой и залив-
0—55
0—40
1—30
ка щелоков, ч——мин
Заварка, ч—мин
1—50
1—45
4—30
Варка, ч—мин
0—40
0—50
1—00
Конечная сдувка, мин
30
25
—
Выдувка, мин
30
30
40
Осмотр котла, мин
5
5
10
Полный оборот котла, ч——мин
4—30
4—15
7—50
лась новой прогрессивной ступенью в развитии целлюлозного производства. Большая производительность варочных установок за счет исключения операций загрузки щепы, закачки щелоков и выгрузки массы, получение целлюлозы, более однородной по качеству, компактность оборудования, снижение расхода пара на варку и ее значительное ускорение, меньшая потребность в производственных площадях, меньшая численность обслуживающего персонала, полная механизация и автоматизация всех технологических операций — вот преимущества, поставившие непрерывный метод в число передовых, по которому уже в настоящее время вырабатывается свыше 30 % целлюлозы и полуцеллюлозы [4].
Различают два метода непрерывной варки — медленный и быстрый. Принципиальное отличие их в том, что в первом методе сохраняется деление варки на заварку и собственно варку, а во втором — щепа попадает сразу в зону температуры, соответствующей конечной температуре варки.
Медленная варка. Наибольшее распространение получила медленная варка в непрерывно действующих установках «Камюр»г мировое производство целлюлозы в которых превысило 50 млн. т в год. В СССР эксплуатируются установки с суточной производительностью 300, 450—500, 800—900 т целлюлозы. На рис. 9 показана схема варочной установки《Камюр» с горячей диффузионной промывкой целлюлозы в котле. Основным элементом установки является варочный котел цилиндрической формы производительностью 450——500 т в сутки; диаметр котла 4,7 м, общая высота 45 м. В варочном котле установлены ситовые пояса 么 6, s и г. По высоте котла различают три температурные зоны： заварки — от загрузочного устройства до уровня ситовых поясов а; варки —— от уровня ситовых поясов 6 до ситовых поясов в; диффузионной промывки — от уровня ситовых поясов в и до низа котла.
Варка целлюлозы в непрерывнодействующих котлах《Камюр» осуществляется при полностью заполненном щелоком варочном котле и избыточном гидравлическом давлении (на 0,1—0,2 МПа больше, чем давление, соответствующее температуре кипения
варочного раствора). Рабочее давление в котле, таким образом, оказывается равным 1—1,2 МПа. Применяемый прием позволяет предотвращать кипение щелока и тем самым создавать различные температурные зоны по высоте котла.
После удаления из щепы металлических включений с помощью магнитного сепаратора щепа поступает в бункер и далее через расходомер в питатель низкого давления, а из него в пропарочную цистерну, где винтовым конвейером перемещается к пи-
Сдуоки 6 конденсатор
Белый 以е〃ок Черный.Белый 以е〃ок Черный.едбЕОФ га 纟 2攸едбЕОФ га 纟 2攸79 ^3 Черный, щелок на
Белый 以е〃ок Черный.
Белый 以е〃ок Черный.
едбЕОФ га 纟 2攸
едбЕОФ га 纟 2攸
*f регенерацию
выдувной, резервуар20А\~
С〃аоз 应 гернь& 以е/юк
Рис. 9. Схема варочной установки《Камюр»:
/ — варочный котел; 2, 3 и 4——насосы высокого давлеиня; 5 — регулирующий бак варочногощелока； 6 — питатель высокого давления； 7 — пропарочная цистерна; 8 — питатель низкогодавления； 9——расходомер; /0 ——бункер; // — магнитный сепаратор; J2 ——питающий трубопро-вод； /3 ■— загрузочное устройство; 14 — винт; /5 — цилиндрическая сетка; /6, /7, 22 и 23 ——подогреватели; /8, 19 ——цнклоны-испарители; 20 —выдувное устройство; 21 ——разгрузочноеустройство
тателю высокого давления. Щепа пропаривается парами вскипания, образующимися в циклоне-испарителе, и свежим паром низкого давления. Давление в пропарочной цистерне 0,06—— 6」7 МПа, температура 105—120 ℃. Время пропаривания 5—6 мин. Воздух, вытесняемый из щепы, и пары скипидара (терпентинные сдувки) из пропарочной цистерны вместе с парами вскипания из другого циклона-испарителя направляются на теплоулавливаю- тую установку (конденсатор) и далее на переработку. Пропарен- Ная щепа из цистерны поступает в питатель высокого давления Роторного типа.
Питатель высокого давления осуществляет питание котла щепой и одновременно является запорным клапаном, разделяющим область высокого давления в котле (I——1,2 МПа) от области низкого давления в пропарочной камере (0,07—0,15 МПа)- Питатель состоит из корпуса и ротора, в теле которого имеются сквозные бочкообразные накопители (от 2 до 8). Когда очередной накопитель оказывается в вертикальном положении, происходит его загрузка щепой из пропарочной цистерны. Для удержания щепы в накопителе вход в патрубок для отвода избытка щелока закрыт металлической сеткой. После загрузки ротор поворачивается в горизонтальное положение и щепа из накопителя вымывается в питательный трубопровод щелоком, подаваемым насосом высокого давления. Щелок транспортирует щепу в загрузочное устройство варочного котла. Процесс загрузки повторяется поочередно со всеми накопителями. Чем больше накопителей, тем равномернее загрузка щепы в котел.
Загрузочное устройство котла состоит из цилиндрической сетки и вращающегося в ней вертикального винта. Щепа из питательного трубопровода попадает к винту и им подается в зону заварки, а избыток щелока отфильтровывается через цилиндрическую сетку и опять возвращается насосом к питателю высокого давления. Необходимые для варки количества белого и черного щелоков подаются насосами в верхнюю часть котла. Соотношение их строго регулируется. Щепа под действием собственной массы медленно продвигается вниз и последовательно проходит зоны заварки, варки и, превратясь в целлюлозную массу,— зону диффузионной промывки. В начале зоны заварки температура поддерживается НО—115℃ (поступает пропаренная щепа и горячий щелок). По мере продвижения щепы к ситовому поясу а температура повышается до 150 ℃ за счет нагрева в подогревателе непрерывно циркулирующего через него щелока. Щелок забирается насосом из зоны сит а и, пройдя подогреватель, возвращается в эту же зону. До конечной температуры варки 170— 172 ℃ постоянно циркулирующий щелок нагревается в другом подогревателе. Щелок забирается насосом с уровня сит б и также возвращается в эту зону.
Для промывки целлюлозной массы в нижнюю часть котла подается слабый черный щелок с температурой не выше 80 ℃, который движется снизу вверх навстречу спускающейся массе. Слабый щелок, вытесняя крепкий черный щелок, постепенно сам укрепляется и нагревается. Вытесняемый крепкий черный щелок отбирается в зоне ситовых поясов s с температурой 160—170 ℃. Для предотвращения резкого снижения температуры на уровне поясов виг поднимающийся щелок сначала нагревается в теплообменнике до 140—150 ℃. Целлюлозная масса внизу варочного котла охлаждается слабым щелоком до температуры 80— 85 ℃, варка прекращается, и при концентрации 14—16 % через разгрузочное устройство целлюлоза поступает в выдувное устройство и далее в выдувной резервуар. Крепкий черный щелок по-
ступает в циклон-испаритель первой ступени. Пары вскипания направляются на пропарку щепы, а щелок в циклон-испаритель второй ступени, из которого он подается на регенерацию. Время варки целлюлозы в котле 4,5 ч; время прохождения щепой зоны заварки 1,5 ч, зоны варки 1,5 ч, зоны промывки 1,5 ч. Расход активной щелочи составляет 12—19 % в ед* N/O массы абсолютно сухой древесины в зависимости от жесткости целлюлозы.
Быстрая варка. Осуществляется в непрерывнодействующих
Рис. 10. Схема варочной установки «Пандия»:
/ — бункер； 2 — питатель высокого давления; 3 — пропиточная труба; 4 —бак циркулирующего щелока; 5 — бак белого щелока; 6 — разгрузочное устройство; 7 — варочные трубы;
8 — дозатор
установках 《Пандия》 (рис. 10). Установка состоит из варочных труб, оборудованных винтовыми транспортерами. Трубы расположены горизонтально одна над другой в вертикальной плоскости. Число варочных труб зависит от вида вырабатываемого полуфабриката и производительности установки и составляет 2—8 шт. Диаметр труб 0,6—1,2 м, длина 6—12 м.
В установках 《Пандня》 щепа из бункера, пройдя дозатор, питателем высокого давления винтового типа подается в пропиточную трубу. Винтовой питатель по направлению к загрузочному патрубку пропиточной трубы сужается, за счет чего щепа уплотняется и исключает прорыв пара из трубы в питатель. Спрессованная щепа (пробка) попадает в пропиточную трубу, где, перемещаясь к противоположному концу трубы, под действием винта, пара и щелока рассыпается, хорбшо смешивается со щелоком и пропитывается. Проходя затем последовательно варачные трубы, Щепа проваривается и через разгрузочное устройство передувается
в выдувной резервуар. Температура варки во всех варочных трубах поддерживается 160—180 ℃, продолжительность варки 15—60 мин.
В установках《Пандня》.можно получать различные волокнистые полуфабрикаты, но чаще всего они используются для получения ЦВВ и полуцеллюлозы из лиственной древесины или целлюлозы из тростника и соломы. Производительность таких установок при выработке лиственной полуцеллюлозы с выходом 75 % составляет 200—250 т в сутки. При переработке тростниковой сечки с выходом 60—70 % производительность установки достигает 145—175 т в сутки [4].
Основные преимущества установок: быстрота варки; про- стота конструкции; небольшой габарит； возможность получать полуфабрикаты с различным выходом и равномерным проваром. К недостаткам можно отнести: более низкий выход и меньшую прочность целлюлозы из-за интенсификации вар.ки; отсутствие промывки одновременно с варкой в одном аппарате； низкую про- изводительность.
Сульфатная варка с предварительным гидролизом. Это по существу комбинированный метод варки, который проводится с целью получения целлюлозы с низким содержанием гемицеллюлоз. Большое содержание гемицеллюлоз в целлюлозе обычной сульфатной варки препятствует применению ее для химической переработки. Удаление гемицеллюлоз из древесины достигается обработкой щепы 0,3——0,5 %-ной серной кислотой при температуре. 120—130 ℃ в течение 2—3 ч или водой при температуре 160—170 ℃ в течение 0,5—3 ч до проведения сульфатной варки. Обработка щепы кислотой или водой по указанным режимам называется предварительным гидролизом (предгидролизом).
Сульфатную варку с предгидролизом можно проводить как в периодически так и в непрерывно работающих котлах. Выход целлюлозы из древесины составляет 37—40 %. Этим методом получают сульфатную вискозную и кордную целлюлозы. Пред- гидролизат после обработки щепы, содержащий около 17 % растворенных веществ древесины (главным образом углеводов), направляется на биохимическую переработку, в частности для получения белковых кормовых дрожжей.
В настоящее время в мире разработаны и нашли применение многие разновидности установок для непрерывной варки целлюлозы. Все технические решения, осуществленные в установках,, направлены на повышение эффективности использования древес^ ного н、недревесного сырья, увеличение выхода целлюлозы, варки низкокачественной древесины, опилок, тростника и соломы, однолетних растений, увеличение производительности и упрощение конструкций установок.
Регенерация щелочи. Черный щелок и его подготовка к регенерации. Черный щелок представляет собой водный раствор сложной многокомпонентной смеси органических и минеральных веществ. В процессах регенерации наиболее важное значение
имеют удельный вес, вязкость, теплоемкость и температура кипения щелока. Удельный вес щелока зависит от содержания в нем сухого остатка (суммы органических и минеральных веществ в пересчете на абсолютно сухую массу). Очевидно, что чем меньше выход целлюлозы из древесины, тем выше содержание сухого остатка и наоборот. Содержание сухого остатка существенно влияет на все характеристики черных щелоков.
Основной задачей процесса регенерации является максимальное возвращение из черных щелоков использованной на варку активной щелочи с получением белого щелока заданных свойств. Регенерация химикатов значительно снижает себестоимость производства целлюлозы и существенно уменьшает загрязнение окружающей среды. Регенерация щелочи основана на сжигании органической части черных щелоков, в процессе которого минеральные вещества превращаются в сульфид натрия Na29 и карбонат натрия Na2cОз, легко переводимый в NaOH. Для этого система регенерации включает процессы: упаривания и сжигания черных щелоков; каустизации зеленого щелока и обжига известкового шлама.
Черный щелок на регенерацию поступает с промывного отдела где он отделяется от целлюлозы. Пройдя подготовку к упариванию, черный щелок направляется в систему регенерации. Подготовка щелока к упариванию включает операции по определению от щелока мелкого волокна, выделению сырого сульфатного мыла и окислению черного щелока.
Упаривание черного щелока. При промывке целлюлозы черный щелок в 2——3 раза разбавляется промывной водой и в таком виде поступает на регенерацию. Содержание сухих веществ в нем составляет 13—17 %. Щелок с такой концентрацией сухих веществ не горит и поэтому не может быть подан непосредственно на сжигание. Черный щелок может сжигаться, если концентрация сухих веществ в нем не ниже 60—65 %. Концентрацию сухих веществ в черном щелоке повышают до 50—55 % упариванием из него воды.
Упаривание щелока проводят в выпарных аппаратах различных систем. Общее количество воды, которое необходимо удалить из щелока в процессе упаривания, рассчитывают по формуле
H7 = Q(l-CHaq/CK0H),
где 步——количество упаренной воды, кг; Q — масса щелока, подаваемого на упаривание, кг; СНач и СКОн — начальная и конечная концентрации сухих веществ в щелоке, %.
В целлюлозно-бумажной промышленности применяют многокорпусные вакуум-выпарные установки, составленные из четырех—семи выпарных аппаратов. Эффективность работы установки основана на многократном использовании тепла, отдаваемого свежим паром на испарение воды. Упаренный щелок из установки выходит с концентрацией сухих веществ 50—55 %. Эффективность
работы установки оценивается экономичностью, под которой понимают число килограммов воды, упаренных 1 кг свежего пара. Экономичность выпарной установки возрастает с увеличением
числа корпусов:
Число корпусов. . . .34567
Экономичность 2,43,23,84,75,5
На практике ограничиваются 6—7-корпусными установками, дальнейшее увеличение числа корпусов повышает паропроизводи- тельность незначительно. Производительность вакуум-выпарных установок по упариваемой воде составляет 100——350 т/ч; давление свежего пара 0,3—0,35 МПа; температура 135—145 °C; вакуум в последнем выпарном аппарате 73—90,6 кПа. .
Сжигание черного щелока. Упаренный щелок сжигают в специальных содорегенерационных котлоагрегатах (СРК) • СРК ——9Tо, почти не отличающийся от обычного паровой котел, в качестве топлива в котором используется упаренный черный щелок с концентрацией сухого остатка 60—65 %. Сухой остаток состоит из 65—70 % органической части (продуктов разрушения древесины: лигнина, углеводов, экстрактивных веществ) и 30—• 35 % минеральной части (свободных едкого натра, сульфида натрия, карбоната натрия и щелочи, связанной с продуктами разрушения древесины). В среднем при выходе целлюлозы 35—65 % с черным щелоком на сжигание поступает 1700—920 кг сухих веществ на 1 т в. с. ц. по варке. Потери сухого остатка черного щелока в процессах промывки и упаривания составляют примерно 10 %.
Непосредственно перед подачей в топку СРК упаренный до концентрации 50——55 % черный щелок проходит газоконтактный каскадный испаритель. За счет контакта с горячими дымовыми газами из щелока дополнительно удаляется часть воды, и горячий щелок с концентрацией 60—65 % йаправляется к форсункам для подачи щелока в топку. Кроме того, к нему добавляется сульфат натрия Na2sО《для восстановления производственных потерь щелочи. Температура в топке 800—1100 °C. Под высоким давлением щелок форсунками впрыскивается в топку, быстро высыхает и сгорает. В процессе сжигания сгорает органическая часть щелока, а минеральная часть образует расплавленный остаток (плав), который собирается на поду топки.
Плав состоит главным образом из карбоната натрия (соды), в который превращается в процессе сжигания весь свободный и связанный едкий натр, и сульфида натрия, образовавшегося восстановлением сульфата натрия окисью углерода. Эти процессы можно представить уравнениями: 2NaOH + СО2 ИагСОз + Н2О; Na2s О4 + 4СО —> Na2s + 4 cO2.
Плав по мере накопления на поду топки с температурой 850— 900 ℃ стекает в растворитель плава, где он растворяется слабым белым щелоком с получением раствора зеленого цвета, называе-
мого зеленым щелоком. Показатели работы СРК черного щелока приведены в табл. 5. Производительность работающих в СССР СРК по сухому остатку щелока от 350 (СРК-350) до 1750 (СРК-1750) т/сутки.
ТАБЛИЦА-5 、
Показатели
Выход целлюлозы, %
50
48
46
Выработка:
пара, т/т в. с. ц.
плава, кг/т в. с. ц.
Потери щелочи, возмещаемые сульфатом натрия, кг/т в. с. ц.
3—3,5 260—290 45—50
4,2—4,8 330—350 50—60
4,9—5,2 360—380 70—80
Каустизация щелока. Цель каустизации щелока — превратить малоактивный карбонат натрия, содержащийся в зеленом щелоке, в едкий натр. Осуществляется это обработкой зеленого щелока негашеной известью, при этом протекают реакции: СаО+ +Н2О f Са (ОН) 2; Na2CO3+Ca (ОН) 2^2NaOH+CaCO3|. Образующийся по второй реакции СаСОз выпадает в осадок и называется каустизационным шламом. В растворе остаются едкий натр и сульфид натрия, т. е. снова получается белый щелок.
От каустизационного шлама белый щелок отделяется на вакуум-фильтрах и собирается в баке. Шлам скапливается в бункере шлама, промывается горячей водой на вакуум-фильтрах и поступает на регенерацию. Фильтрат представляет собой слабый белый щелок, который используется для растворения плава.
По принятой технологии каустизации можно получать от 1000 до 4000 м3 белого щелока в сутки. Степень каустизации зеленого щелока (степень превращения Na2cОз в NaOH) достигает 90 %. При выходе целлюлозы 48 % технико-экономические показатели работы отдела каустизации следующие：
Расход СаО (85 %), кг/т в. с. ц 260—270
Количество шлама, кг/т в. с. ц 360—380
Выход белого щелока, % зеленого 80—90
Расход пара, т/т в. с. ц . 0,15~0,20
Регенер ация извести. Регенерацию каустизационного шлама СаСОз осуществляют обжигом его при температуре 1100— 1200 ℃ во вращающихся печах, обогреваемых генераторным га- зом. В процессе обжига протекает реакция СаСОз-^ СаО + СОг- Получаемая негашеная известь вновь используется для каустизации зеленого щелока. Производительность вращающихся известерегенерационных печей от 30 до 250 т извести в сутки.
ПРОИЗВОДСТВО СУЛЬФИТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Общая схема производства сульфитной целлюлозы. Современные разновидности сульфитных методов варки, в которых для делигнификации растительного сырья используется сернистая кислота и ее соли, многочисленны. Поэтому, название сульфитный следует сохранять за классическим сульфитным методом варки, занимающим второе место по объему производимой целлюлозы [3]. Общая схема производства сульфитной целлюлозы подобна производству сульфатной целлюлозы и включает: подготовку древесины, ничем не отличающуюся от рассмотренной выше； приготовление сульфитной кислоты； варку древесной щепы с кислотой в котлах под давлением 0,5—1 МПа при температуре 130—150 ℃; промывку и очистку целлюлозной массы; отбелку и облагораживание целлюлозы； обезвоживание и сушку целлюлозы. Рассмотрим приготовление сульфитной кислоты.
Состав и характеристика сульфитной кислоты. Сульфитная кислота представляет собой водный раствор кислого сернистокислого кальция (бисульфита кальция), содержащий большой избыток растворенного сернистого ангидрида (двуокиси серы SO2). Условно состав сульфитной кислоты представляется выражением [3]:
Са (HSO3)2 + SO2 + Н2О
бисульфит кальция растворенный SO2или CaSO3 + H2SO3 + SO2 + Н2О.
связанный SO2 свободный SO2
весь SO2
Концентрацию компонентов в кислоте выражают в процентах через сернистый ангидрид SO2. Общее содержание сернистого ангидрида в кислоте называют весь SO2. Весь SO2 разделяют на связанный SO2 и свободный SO2. Под связанным SO2 понимают количество SO2, связанное в моносульфите кальция (CaSO3 или СаО + ЗОг). Окись кальция (СаО) называется основанием. Принимается, что содержание СаО в кислоте эквивалентно связанному SO2. Содержащийся в сернистой кислоте и растворенный SO2 объединяются под названием свободный SO2. Крепость кислоты определяется содержанием всего SO2.
Кислоту, получаемую в кислотном отделе сульфитцеллюлозного завода, называют сырой сульфитной кислотой. Состав сырой кислоты для различных сульфитцеллюлозных заводов колеблется в пределах 2,8—4 % всего SO2, в том числе 0,9—1,5 % связанного SO2. Иными словами это значит, что в 100 мл кислоты содержится 2,8—4 г всего SO2, из них 0,9—1,5 г связанного SO2 (или 0,9—1,5 г СаО).
Варку сульфитной целлюлозы проводят не с сырой, а с варочной кислотой, представляющей собой смесь сырой кислоты с продуктами сдувок из котлов, удаляемыми в процессе варки. Сырую кислоту в варочную превращают в отделе регенерации. Поглощая продукты сдувок, сырая кислота обогащается растворенным SO2, т. е. укрепляется и превращается в варочную кислоту, содержащую значительно больше сернистого ангидрида, чем требуется для химических реакций варки. Крепость варочной кислоты составляет 6—8 % всего SO2, рН= 1,5. Пример характеристики варочной кислоты одного из сульфитцеллюлозных заводов следующий: 6—6,5 % всего SO2 и 1,1 % связанного SO2. Укрепление кислоты повышением содержания в ней свободного SO2 положительно сказывается как на скорости варки, так и на качестве целлюлозы.
Рассмотренная кислота, содержащая бисульфит кальция в качестве основания, называется сульфитной кислотой на кальциевом основании. Варка с такой кислотой относится к классическому сульфитному методу. Главное условие возможности осуществления классического метода заключается в обеспечении высокого содержания растворенного SO2 в варочной кислоте. При недостатке растворенного SO2 бисульфит кальция, который существует только в присутствии свободной Н2sОз, легко разлагается (особенно при повышенной температуре) на нерастворимый моносульфит кальция и сернистую кислоту Ca(HSC)3)2f CaSCh + Н2§Оз・ Разложение бисульфита делает невозможным нормальное протекание варки и завершается, как правило, получением непроверенной щепы темного цвета ——так называемой «черной варкой》. Опасность разложения бисульфита кальция ограничивает возможность повышения конечной температуры варки (не более 155℃), что удлиняет варку (12—18 ч), а невозможность повышения pH кислоты (начальный 1,5—2) позволяет варить только еловую древесину.
В настоящее время более широкое применение для варки нашла сульфитная кислота, в качестве основания содержащая MgO, Na?。или (NHM。*, образующих с SO2 водорастворимые MgSO3, Na2sО3 и (NH4)2SO3 вместо нерастворимого CaSO3. Высокая стабильность кислоты на растворимых основаниях позволяет применять повышенные температуры варки, а хорошая растворимость бисульфитов магния Mg(HSOs)2, натрия NaHSO3 и аммония NH4HSO3 дает возможность в нужных случаях без осложнений увеличивать содержание основания в кислоте и поднимать pH варочного раствора вплоть до применения чисто бисуль- фитных (pH 4,5), а для натриевого и аммониевого оснований — нейтрально-сульфитных (pH 8—10) методов варки. Благодаря применению варочных растворов с широким интервалом значений pH (от 1 до 10) стало возможным в качестве сырья использовать
你 Окись аммония самостоятельно не существует. Здесь для однообразия формул принята условность.
все древесные породы и получать волокнистые полуфабрикаты с любыми степенью делигнификации и выходом из древесины.
Сырую сульфитную кислоту готовят по следующей схеме： получение SO2, очистка и охлаждение SO2, поглощение SO2 с по* лучением кислоты.
Получен ие сернистого ангидрида. Сернистый ангидрид получают сжиганием серусодержащего сырья: серы, серного и флотационного колчеданов.
При сжигании серы образуется газообразный сернистый ангидрид (сернистый газ) по реакции S + O2-> SO2. Для сжигания серы применяют серные печи различных конструкций. Печные газы при концентрации в них сернистого ангидрида 16——18 % и температуре 1200—1300 ℃ выводятся из печи и направляются на охлаждение и очистку. Серный колчедан (пирит) представляет собой природный минерал состава FeS? с содержанием 40——45 % серы. Флотационный колчедан получается в виде отходов при обогащении руд цветных металлов. Он поступает на целлюлозные заводы с содержанием серы от 38 до 47 %.
Обжиг колчедана представляется следующей реакцией: 4FeS2-H + 11О2 = 2Fe2O3+8SO2. Концентрация SO? в газах -составляет 9—11 %, т. е. в 2 раза меньше, чем при сжигании серы. Это объясняется затратой кислорода на образование окиси железа.
Обжиг колчедана в виде кусков ведут в специальных печах, среди которых наиболее эффективными являются печи с так называемым кипящим слоем УРКС (универсальная с кипящим слоем). Печные газы отводятся с температурой 800—900 ℃, кон- центрацией сернистого газа 14——15 % и содержат около 10——27 % пылевидного огарка. Производительность печей 60—140 т колчедана в сутки. Основное преимущество перед другими конструкциями печей ——использование сырья с низким содержанием серы, но получение газов с высокой концентрацией SO2 (14—15 %).
Очистка и охлаждение печн ых газов. Полученный при сжигании серы и обжиге серного колчедана печной газ содержит вредные примеси: пыль, серный ангидрид, селен, соединения мышьяка, несгоревшую серу. Для получения качественной сырой кислоты печные газы должны быть полностью освобождены от примесей и охлаждены до 30—35 ℃. Это диктуется способностью примесей разлагать кислоту и плохой поглощаемостью водой горячего газа.
Поглощение сернистого ангидрида. На стадии поглощения SO2 получают сырую кислоту для сульфитных методов варки. В зависимости от метода варки поглощение SO2 проводят растворами определенных химикатов в аппаратах той или иной конструкции.
Кислоту на кальциевом основании для сульфитной варки получают преимущественно башенным методом. Поглощение SOs происходит в высокой деревянной или железобетонной кислотной башне, представляющей собой несколько расширяющийся книзу цилиндр (высота 35—40 м, диаметр внизу 2—2,5 м, наверху — 50
2 м). Башня полностью загружена камнями известняка (с содержанием СаСО3 96—97 %), удерживаемого колосниковой решеткой, под которой находится бак для сбора сырой кислоты. Сверху башня орошается холодной водой, стекающей по известковым камням навстречу движущемуся снизу от колосниковой решетки сернистому газу. Сернистый газ растворяется в воде, образуя сернистую кислоту: SO2 + H20 fH2sОз. Кислота, стекая по известняку, реагирует с ним, образуя бисульфит СаСОз +2H2so3f Са(Н50з) 2 + CO2 + H20. Далее в бисульфите растворяется еще некоторое количество SO2, и сырая кислота собирается в баке под колосниковой решеткой.
Работающие периодически однобашенные установки применяются редко. Чаще используются непрерывно работающие двухбашенные установки производительностью до 300 м3 кислоты в сутки на 1 м2 сечения башни.
Приготовление кислоты н а растворимых основаниях. Дальнейшее совершенствование сульфитной варки усматривается в переводе сульфитцеллюлозных заводов на варку с кислотой на растворимых основаниях — магниевом, натриевом и аммониевом, кото(рые получают поглощением сернистого ангидрида соответственно магнезиальным молоком Mg(OH)2, водным раствором карбоната натрия Na2cОз и гидроокисью аммония NH4OH по реакциям:
Mg (ОН)2 + 2SO2^Mg (HSO3)2;
Na2cОз + 2SO2 + H2O—2NaHSO3 + CO2;
NHQH + SO2->NH4HSO3.
В полученных растворах бисульфитов магния Mg(HSOs)2» натрия NaHSOg и аммония NH4sОз растворяют дополнительное количество SO2, превращая бисульфитные растворы в сульфитные кислоты соответственно на магниевом, натриевом и аммониевом основаниях. Если бисульфитные растворы не насыщать дополнительным количеством SO2, получаются кислоты для бисуль- фитной варки. Предельному содержанию связанной SO? соответствуют чистые моносульфиты натрия Na2sОз и аммония (NH4)2SO3, которые используют в нейтрально-сульфитном методе варки.
Поглощение SO2 соответствующими растворами осуществляют в абсорбционных аппаратах (абсорберах) различных конструкций и размеров. Чаще всего применяют насадочные и барботажные абсорберы, ^-представляющие собой цилиндрические колонны из кислотоупорной стали диаметром 0,9——1,5 м и высотой 10—20 м.
Полученнук) в кислотном цехе сырую кислоту перекачивают в баки или цистерны для хранения. Во время хранения кислота осветляется (отстаивается от взвешенных в ней примесей: известняка, моносульфита и др.) для повышения ее стабильности. Для осветления кислоты применяют специальные метода:， осветляют на песочных фильтрах, добавляют полиакриламид (ПАА), выполняющий роль интенсификатора осаждения частиц и пр.
5151.4*
51
51
Осветленную сырую кислоту превращают в варочную и используют для варки сульфитной целлюлозы. Обычно запас кислоты поддерживается на уровне полуторасуточного расхода, причем часть этого запаса хранят в виде сырой, а часть ——в виде варочной кислоты.
Техника сульфитной варки. Варка сульфитной целлюлозы может осуществляться периодическим и непрерывным методами. Однако трудность практического осуществления непрерывной сульфитной варки до настоящего времени сохраняет преимущественно периодический характер сульфитцеллюлозного производства. Варка осуществляется в вертикальных стационарных котлах вместимостью от 160 до 400 м3, стальной корпус которых изнутри защищен кислотоупорной футеровкой. В последнее время чаще ис- "пользуют биметаллические котлы сварной конструкции. Порядок проведения операций при сульфитной варке аналогичен сульфатному периодическому процессу, за исключением некоторых специфических особенностей в характере их выполнения.
Загрузка котла щепой. Загрузка проводится так же, как и при сульфатном методе. Количество загруженной в котел щепы имеет исключительно важное значение, так как от этого зависит производительность котла. При естественной засыпке щепы в 1 м3 объема котла помещается от 0,33 до 0,37 м3 плотной древесины или (при влажности щепы 25 %, удельной массе еловой древесины 0,43 и объемной степени наполнения 0,35 м3/м3 котла) примерно 137 кг абсолютно сухой древесины (а. с. д.). Для повышения степени наполнения котла применяют воздушные и паровые уплотнители щепы. Наибольшего внимания заслужили паровые уплотнители, позволяющие довести степень наполнения котла до 0,42—0,50 (примерно 170—210 кг а. с. д/м3 котла) с одновременным прогревом щепы до температуры 75—80 ℃.
В отличие от сульфатной варки более полное предварительное удаление заключенного в щепе воздуха является обязательным условием успешной сульфитной варки. Оказывая противодействие проникновению кислоты в древесину, он замедляет процесс жидкостной пропитки и способствует нежелательному явлению—опережающей диффузии SO2 в древесную ткань. Кроме того, постепенно выделяясь из щепы в процессе пропитки, воздух ускоряет рост давления в парогазовом пространстве котла, что требует проведения первой сдувки в более ранней стадии и вызывает обеднение кислоты растворенным SO?, ухудшая условия заварки.
Наиболее простым и распространенным методом удаления воздуха является пропарка щепы паром, одновременно также повышающая плотность загрузки щепы в котел. Для пропарки применяется слегка перегретый пар с температурой не выше 160— 180 ℃. Для полноты удаления воздуха температуру прогрева щепы доводят до 95—100 ℃. Расход пара на пропарку составляет от 0,25 до 0,35 т на 1 т целлюлозы.
Наполнение котла кислотой. После загрузки котла щепой и пропарки, а чаще совмещая с этими операциями, в котел насосом закачивают варочную кислоту. Закачка кислоты длится 20—30 мин. В зависимости от метода обогрева котел заливают кислотой полностью «под крышку》 (непрямой обогрев), либо оставляют свободное пространство в 5—10 м3, учитывая возможность размещения в котле конденсата пара (прямой обогрев).
Объем кислоты, заливаемой в котел, зависит от степени наполнения котла щепой. Кислота, следовательно, заполняет оставшееся свободное пространство. Если степень заполнения котла, например, 0,35 м3 плотной древесины на 1 м3, то объем кислоты, очевидно, составит 0,65 м3 на 1 м3 котла. Фактически объем кислоты в 1 м3 котла будет несколько больше, так как некоторая ее часть уже во время закачки успевает впитаться в древесину. Максимальный объем кислоты, который может быть поглощен щепой при пропитке, определяется удельной массой и влажностью древесины.
Варка. Варка условно делится на два периода: заварку — подъем температуры от начальной (50—70 ℃) до 105—115 °C и стоянку на этой температуре — и собственно варку, охватывающую остальной период от подъема температуры до конечной (128—155 ℃) и до завершения варочного процесса.
Продолжительность заварки составляет от 2 до 6 ч и зависит главным образом от крепости кислоты, ее температуры и влажности щепы. В период заварки происходит пропитка щепы варочной кислотой и сульфонирование лигнина в твердой фазе. Более полному завершению этих процессов служит стоянка при температуре 105—115 ℃, что отличает сульфитный варочный процесс от сульфатного и других разновидностей варок. Необходимость стоянки обусловливается наличием большого количества растворенного SO2. При проникновении сульфитной кислоты в щепу растворенный SO2 частично выделяется и в газообразном виде гораздо быстрее достигает лигнина, чем ионы бисульфита HSOT, создавая тем самым высокую кислотность. Повышение температуры в этих условиях выше 105—115 ℃ может вызвать конденсацию лигнина и испортить варку.
Температурный график варки сульфитной целлюлозы средней жесткости с кислотой на натриевом основании показан на рис. 11. Как видно из графика, период заварки составляет 4,5 ч, варки — около 4 ч; общая продолжительность варки около 8,5 ч. Одновременно с ростом температуры (кривая /) в котле увеличивается и давление (кривая 2). Обычно уже при достижении температуры 80—100 ℃ давление в котле, за счет выделения из кислоты свободного SO2 и воздуха из древесины, достигает предельно допустимого (0,6—0,65 МПа). Для дальнейшего подъема температуры необходимо проводить сдувку парогазовой смеси. С целью поддержания давления в котле на постоянном уровне наиболее целесообразно производить непрерывную сдувку. Сдуваемую парога-
высокое парциальное давление сернистого газа, а во-вторых, с наличием в механизме делигнификации двух стадий — сульфонирования и растворения лигнина, которые требуют различных температур. Это ограничивает возможность использования высокотемпературной непрерывной варки и варки без заварки, т. е. непрерывной варки, начинающейся сразу с максимальной температуры. Иметь же различные температуры одновременно в одном и том же варочном аппарате возможно только, если он находится под избыточным гидравлическим давлением, препятствующим парообразованию и кипению, и если сдувки из него практически не производятся.
Из предложенных вариантов непрерывной сульфитной варки промышленное внедрение получил двухступенчатый метод, предусматривающий в первой ступени предварительную пропитку Щепы бисульфитной кислотой для завершения процесса сульфонирования лигнина, что совершенно необходимо, а во второй — варку щепы с концентрированным водным раствором SO2. Осуществляется процесс в установке《Камюр》с пристроенной к его верхней горловине наклонной пропиточной камерой (рис. 14). Установка работает, как и в случае непрерывной варки сульфатной целлюлозы, с той лишь разницей, что пропаренная щепа вначале поступает не в загрузочное устройство варочного аппарата, а в наклонный пропиточный винтовой конвейер. Пропитка происходит при полном рабочем давлении 1,4—1,5 МПа, но при температуре не выше 120 ℃ в течение 10—12 мин. Щепа, пропитанная бисульфитом, поступает в верхнюю часть котла, куда подаются в необходимом количестве жидкая двуокись серы и вода для создания нужного гидромодуля (3 + 3,5):1. Верхняя часть котла оборудована циркуляционной системой для непрямого обогрева и подъема температуры до 145—150 ℃. Варка при составе кислоты 7—8 % всего SO? и 0,8 % связанного SO2 продолжается в течение 2,5—3,5 ч, пока спускающаяся вниз по котлу масса не достигнет зоны отбора щелока. Сдувок из верхней части котла не производят и весь оборотный сернистый газ в систему регенерации отбирают из испарителя, через который пропускается выпускаемый из котла сульфитный щелок.
Влияние основных факторов сульфитной варки на скорость процесса, выход и качество целлюлозы. К числу основных факторов сульфитной варки, оказывающих влияние на продолжительность процесса, выход и качество целлюлозы, а также выход сахаров в щелоке, следует отнести: температуру варки; состав кислоты, т. е. содержание в ней свободного SO2 и основания; вид основания; качество щепы. Влияние всех факторов необходимо сопоставлять при соблюдении одного непременного условия — одинаковой степени провара целлюлозы. Степень провара целлю-
лозы, определяющая полноту извлечения лигнина, сказывается на всех показателях варки. При переходе от жестких целлюлоз (низкая степень провара) к мягким (высокая степень провара) увеличивается продолжительность варки.
Температура варки —один из главнейших факторов сульфитной варки. Повышение температуры ускоряет все реакции и процессы, сопровождающие варку: пропитку, сульфонирование лигнина, гидролиз образующихся лигносульфоновых кислот, а также углеводов. При повышении температуры варки одновременно с сокращением ее продолжительности снижается выход целлюлозы одинаковой степени провара. Объясняется это тем, что с повышением температуры ухудшается избирательность варки (гидролиз углеводов ускоряется в относительно большей степени, особенно гемицеллюлоз, чем делигнификация).
Повышение концентр ации в к и с л о т ё свободного SO? ускоряет процесс пропитки, повышает концентрацик> водородных ионов в варочном растворе и тем ускоряет реакцию сульфонирования и все гидролитические реакции. В результате следует ожидать значительного ускорения процесса варки в целом. Ускорение делигнификации и растворения углеводов при повышении крепости кислоты происходит примерно в одинаковой степени, т. е. избирательность варки не изменяется. Вследствие более быстрой и равномерной пропитки при варке с крепкой кислотой несколько повышается выход целлюлозы и улучшаются показатели ее механической прочности.
Присутствие основания в кислоте обусловливает повышенную концентрацию бисульфитных ионов и обеспечивает полноту реакции сульфонирования лигнина, устраняет этим опасность конденсации лигнина, позволяет применять высокие температуры варки с целью ее. ускорения. На скорость процесса делигнификации повышение содержания основания в кислоте действует одновременно в двух противоположных направлениях: с одной стороны, за счет повышения концентрации бисульфитных ионов ускоряется сульфонирование и затормаживаются реакции конденсации лигнина, а с другой ——за счет снижения концентрации водородных ионов замедляется скорость сульфонирования, гидролиза и сульфитолиза лигносульфоновой кислоты. Если повысить концентрацию основания в кислоте умеренной крепости, не изменяя содержания всего SO2, то результатом будет явное замедление варки. Если же одновременно с повышением содержания связанного SO2 повышать и содержание растворенного SO2 в кислоте таким образом, чтобы концентрация Н+-ионов оставалась на неизменном уровне, происходит некоторое ускорение варки. Варка с повышенным содержанием основания повышает выход целлюлозы, ее белизну и некоторые механические показатели (сопротивление разрыву и продавливанию), при этом снижается содержание РВ (редуцирующих веществ) в отработанном щелоке.
Кроме концентрации основания в кислоте во время варки, на ее результат оказывают влияние валентность и природа катиона, т. е. вид основания. Варка на магниевом основании не дает заметных преимуществ в отношении г£родолжительности и выхода целлюлозы по сравнению с варкой на кальциевом основании. Основным преимуществом варки на магниевом основании является большая гибкость процесса, позволяющая применять в зависимости от назначения продукта различные температуры варки и в широких пределах изменять содержание основания вплоть до использования чистых бисульфитных растворов с pH 5—6.
Использование для варки кислоты с одновалентными растворимыми основаниями (натриевым и аммониевым) дает более существенные преимущества по сравнению с кислотой на магниевом основании. Одновалентные катионы поглощаются при пропитке практически равномерно всем объемом щепы, но в меньшей концентрации, чем двухвалентные, и степень нейтрализации лигносульфоновой кислоты в твердой фазе получается гораздо более низкой. Благодаря этому щепа равномернее пропитывается, в твердой фазе создается более низкий pH, лигнин быстрее гидролизуется и переходит в раствор при более низкой степени сульфонирования. Таким образом, обеспечивается сокращение продолжительности варки до одной и той же степени делигнификации с кислотой на одновалентных основаниях в пределах 15——20 %; несколько' снижается расход древесины (до 5 %), на 5—10 % увеличивается производительность.
Сульфитный метод варки предъявляет к качеству щепы высокие требования. Высокая влажность щепы требует применения крепкой кислоты, но провар целлюлозы равномерный. Пересушенная щепа дает неравномерно проваренную костричную целлюлозу. Оптимальной считается влажность щепы 25—30 %. Степень измельчения щепы при сульфитной варке является своего рода компромиссом. При малых размерах щепы улучшается пропитка и нагрев, но ухудшаются механические свойства целлюлозы как результат повреждения древесных волокон. Напротив, варка более крупной щепы дает целлюлозу с высокими прочностными свойствами, но с неравномерным проваром и повышенным содержанием непровара.
Регенерация сернистого газа и тепла сдувок, С целью интенсификации процесса сульфитной варки в котел с варочной кислотой вводят значительно больше сернистого ангидрида, чем это требуется теоретически для протекания химических реакций. Поэтому как с экономических соображений^ так и с точки зрения охраны окружающей среды обязательным является улавливание уходящего со сдувками избытка сернистого ангидрида для повторного его использования в процессе варки. Вместе с сернистым ангидридом и сдуваемой из газового пространства котла парогазовой смесью удаляются: воздух, вытесняемый из щепы； летучие органические соединения, образующиеся в результате варки; водя-
58
ной пар и варочная жидкость (10—15 % объема варочной кислоты), увлекаемые из котла парогазовой смесью. Перечисленные компоненты составляют сдувки, которые из котла по соответствующим трубопроводам направляются в отдел регенерации.
Назначение регенерации состоит в превращении сырой сульфитной кислоты в варочную необходимого состава путем поглощения сырой кислотой уходящих из котла избытка сернистого ангидрида и других сдувочных компонентов в регенерационной установке, а также улавливания тепла сдувок. Количественно работа регенерационных установок оценивается процентом реге* нерации SO2, под которым понимают отношение количества регенерируемого SO2 к количеству SO2, заключенному в варочной кислоте:
^o2 = [(SO2Bap-SO2cw)/SO2Bap] 100.
Очевидно, что процент регенерации будет тем больше, чем крепче варочная кислота. Современные регенерационные установки обеспечивают процент регенерации SO2 от 55 до 75 %.
Во. всем разнообразии существующих типов регенерационных установок осуществляется принцип противотока, согласно которому газы, содержащие наибольшее количество SO2, поглощаются наиболее крепкой кислотой, а газы с низкой концентрацией SO2 —— слабой сырой кислотой. В регенерационных установках используют два принципиально различных способа поглощения газа — холодный и горячий — и соответственно различают холодную и горячую системы регенерации. Для компенсации недостатков обеих систем иногда применяют более сложную, холодно-горячую систему регенерации. В холодной системе регенерации сдувки поглощаются сырой кислотой после их предварительного охлаждения водой в холодильниках. Эффективное поглощение газа обеспечивается низкой температурой кислоты, что дает возможность вести процесс при атмосферном и несколько повышенном давлении. Однако тепло сдувок в этом случае теряется и закачиваемая в котел варочная кислота имеет относительно низкую температуру, что ведет к перерасходу пара на варку. При горячей системе регенерации тепло сдувок используется для нагрева варочной кислоты, но для обеспечения полноты поглощения газа необходимо повышенное давление, требующее более сложного аппаратурного оформления процесса.
На рис. 15 показана типовая схема горячей регенерации. Основными элементами системы регенерации являются регенерационные цистерны, которые чаще всего выполняют шаровыми. Цистерны рассчитываются на давление от 0,1 до 0,6 МПа, в зависимости от крепости и температуры кислоты. Вместимость шаровых цистерн достигает 600 м3. ■
Из варочного котла сдувки высокого давления (сдувки с полного рабочего давления 0,6—0,7 МПа) через эдуктор (смеситель), где они смешиваются с полуварочной кислотой, подаваемой из цистерны низкого давления насосом, направляются в регенера-
ГЬз 6 кислот-ГЬз 6 кислот-Сдувки НАСдувки НАЮ7ОЮ7Оционную цистерну высокого давления, рассчитанную на рабочее давление 0,35 МПа. Сдувки низкого давления (ниже 0,3 МПа) через свой эдуктор, в котором они смешиваются с сырой кислотой, подаваемой насосом, направляются в цистерну низкого давления, работающую под давлением 0,15 МПа. Непоглощенные газы из цистерны высокого давления через регулятор, давления перепускаются в цистерну низкого давления, а из нее —— через регулятор давления в поглотительный бак с сырой кислотой.
ГЬз 6 кислот-
ГЬз 6 кислот-
Сдувки НА
Сдувки НА
Ю7О
Ю7О
Рис. 15. Схема горячей регенерации SO2 с использованием тепла сдувок:
1 — варочный котел; 2 H 5 — эдукторы; 3 — цистерна высокого давления; 4 H 7 — регуляторы давления; 6 — цистерна низкого давления; 8 — колонка с насадкой; 9 — поглотительный бак; 10, 〃，/2 и /3 — центробежные иасосы; 14 — теплообменник
Затем часть неуловленного газа в баке поглощается в колонке с насадкой, орошаемой сырой кислотой, а оставшаяся часть направляется на доулавливание в кислотные башни. Готовая вароч- ная кислота, получаемая в цистерне высокого давления, дополнительно подогревается паром в теплообменнике, через который она непрерывно прокачивается циркуляционным насосом. Для подачи варочной кислоты в котлы служит специальный насос.
Рассмотренная система регенерации дает возможность получать кислоту с содержанием 8—9 % всего SO2, около 1 % связанного SO2 и температурой 90—100 °C.
Технико-экономические показатели варки. Наиболее важными технико-экономическими показателями варки являются: удельный расход древесины, выход целлюлозы из 1 м3 котла, оборот варочного котла и его производительность, удельный расход химикатов и тепла.
Под удельным р а схо до м понимают расход сырья, химикатов и других материалов на производство единицы продукции, за которую в целлюлозно-бумажном производстве принимается 1 т воздушносухой целлюлозы, древесной массы, бумаги или картона. Удельный расход древесины в плотных кубометрах рассчитывают по формуле
Р = (880・ 100)/(у&),
где у ——удельный вес древесины, кг/м3 (при фактической ее влажности) ；& — выход целлюлозы из древесины, %.
Прн одном и том же выходе целлюлозы из древесины удельный расход баланса колеблется очень сильно в зависимости от удельной массы древесины. Выход целлюлозы из древесины зависит главным образом от степени провара целлюлозы. Чем
в большей степени проварена целлюлоза, тем больше расход балансов и наоборот. Фактический расход плотной древесины на сульфатцеллюлозБых заводах, вырабатывающих жесткую целлюлозу, в зависимости от ее породы и качества составляет 4,5— 5 м3/т.
В ыходом целлюлозы по варке с 1 м3 котла называют массу небеленой целлюлозы I, II и III сортов плюс непровар, потери при промывке и очистке (кг), получаемые за одну варку. Для оценки работы всего целлюлозного завода или одного варочного котла в течение года применяют показатель выхода целлюлозы (т) с 1 м3 варочного котла в год. 【
Выход целлюлозы с 1 м3 котла за одну варку (кг) определяется по формуле
В = (ауЬ)/88,
где а — объемная степень наполнения котла древесиной, м3/м3 котла; у ——удельный вес древесины, кг/м3 абсолютно сухой древесины; b — выход целлюлозы из древесины, %.
Выход сульфатной целлюлозы с 1 м3 варочного котла за одну варку, включая непровар (кг), составляет: высокого выхода 95— 100, жесткой 88——95, среднежесткой и электроизоляционной 82—— 85 и мягкой (белимой) 70—80. Для сульфитной целлюлозы сохраняются примерно те же значения.
Для оценки эффективности использования времени работы варочного котла большое значение имеет обор от котла брутто. Продолжительность собственно процесса варки (оборот котла нетто) от момента начала нагрева котла и до момента начала конечной сдувки перед опоражниванием котла также оказывает существенное влияние и оборот котла брутто.
Зная оборот котла брутто, его вместимость и выход целлюлозы с 1 м3 на одну варку, можно легко определить суточную произво- длительность котла (т в. с. целлюлозы) по формуле
Л1 = ВУ24/(1000т),
где В — выход воздушносухой целлюлозы с 1 м3 котла, кг; V — вместимость котла, м3; т — полный оборот котла, ч.
Годовая производительность котла определяется с учетом неизбежных простоев организационного и технического характера, которые учитываются средним коэффициентом времени простоев К равным 1,03—1,08. В Советском Союзе расчетное число дней работы в год основного оборудования целлюлозных заводов составляет 345 (365 минус 10 дней плановых остановок предприятия и минус 10 дней планово-предупредительных ремонтов — ППР). Тогда М「од= (М : К) 345.
Удельный расход химикатов, в частности серы, в сульфитцеллюлозном производстве колеблется от 50 до 140 кг/т в. с. целлюлозы в зависимости от многих факторов, рассмотренных ранее.
В сульфатцеллюлозном производстве щелочь, расходуемая на варку, в результате регенерации химикатов из отработанного черного щелока непрерывно находится в кругообороте. Потери щелочи, имеющие место в производстве, восполняются в кругообороте добавкой свежего сульфата натрия в СРК. Обычно регенерируется 70—80 % щелочи, а на некоторых современных сульфатцеллюлозных заводах процент регенерации достигает 85, т. е. нз каждых 100 кг щелочи, заданной на варку, не менее 85 кг возвращается на варку, и только 15 кг составляют безвозвратные потери. Расход свежего сульфата натрия на восполнение указанных потерь равен от 90 до 180 кг на 1 т целлюлозы.
Что касается расхода тепла на производство 1 т целлюлозы, то его оценивают отношением затрат пара на одну варку к выходу целлюлозы из котла и выражают в тоннах. Расход пара зависит от множества ранее рассмотренных факторов и составляет 1,5—2 т/т целлюлозы. Следует отметить, что расход пара на производство 1 т сульфатной целлюлозы в целом несколько ниже^ чем на производство 1 т сульфитной целлюлозы, за счет экзотермических реакций щелочной делигнификации, дающих около 10 % всего необходимого тепла. Наряду с этим наличие мощных содорегенерационных котлоагрегатов паропроизводительностью 100— 200 т/ч обеспечивает потребность современных сульфатцеллюлозных заводов в энергии за счет собственных энергетических ресурсов (СРК) почти на 100 %.
ДРУГИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
В связи с всевозрастающими требованиями к охране окружающей среды, дефицитом растительного сырья и энергетическим кризисом исследованиям в области химии и химической технологии целлюлозы и древесины уделяется большое внимание. Изучены и нашли широкое применение бисульфитный, нейтрально- сульфитный, ступенчатые и комбинированные методы варок. Осваиваются промышленностью и исследуются в лабораториях многие новые, эффективные методы варок: полисульфидный и сульфатный с добавлением антрахинона; методы варок без серосодержащих реагентов, обеспечивающих устранение вредных дурнопахнущих газовых и сточных выбросов; кислородно-щелоч- ной; метод окислительного аммонолиза; гидротропный и др.
Бисульфитная варка. Наиболее распространены процессы, в которых варочными растворами являются чистые бисульфиты NaHSO3 (метод Арбайсо)目 Mg(HSOs)2 (метод Магнефит), не имеющие растворенного SO2. Их начальный pH составляет 3,5—5. Варку древесины проводят при температуре 155—165 РС с бисульфитами, содержащими 4—5 % всего SO2. Продолжительность варки составляет 5——5,5 ч. Бисульфитные методы позволяют перерабатывать практически все древесные породы, включая смолистую сосновую древесину.
Важным преимуществом бисульфитного способа является способность получаемых полуфабрикатов разделяться на волокна без применения размалывающего оборудования при относительно высоких выходах (60—62 % из хвойных и 53—56 % из лиственных пород древесины) [3]. Бисульфитный метод включает в себя преимущества сульфитного и сульфатного методов. Он обеспечивает получение прочных и светлых волокнистых полуфабрикатов высокого выхода в сочетании с возможностью утилизации гемицеллюлозной части отработанных щелоков при биохимической переработке на спирт и кормовые дрожжи.
Бисульфитную целлюлозу варят как периодическим, так и непрерывным методами в установках《Камюр》.В СССР бисуль- фитные целлюлозные заводы работают в составе Красноярского ЦБК, Кзыл-Ординского ЦКК и Светлогорского ЦКК-
Нейтрально-сульфитная варка. В качестве варочного раствора используется сульфит натрия Na2SO3 с добавкой некоторого количества соды (Na2sОз+Na2coз). Начальный pH раствора около 7. Количество сульфита, содержащегося в свежем щелоке, по отношению к абсолютно сухой древесине колеблется в пределах 7— 14 % при варке полуцеллюлозы и в пределах 15—20 % при варке белимой ЦВВ. Содержание в щёлоке карбоната натрия (соды), выполняющего роль щелочного буфера, составляет 2,5——4 %. Конечная температура варки 160—185 ℃, рабочее давление от 0,65 до 1,25 МПа. Сырьем служит древесина лиственных пород, из которой вырабатывается полуцеллюлоза и ЦВВ.
Нейтрально-сульфитная варка осуществляется периодическим и непрерывным методами. Полуцеллюлозу рассмотренным методом производят на Котласском ЦБК, Архангельском ЦБК, Пермском ЦБК и Балахнинском ЦКК.
ПРОИЗВОДСТВО ПОЛУЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЦЕЛЛЮЛОЗЫВЫСОКОГО ВЫХОДА (ЦВВ)
Полуцеллюлозой называют волокнистый полуфабрикат с выходом от 90 до 60 %, а ЦВВ — с выходом от 60 до 50 % массы исходного растительного сырья. Характерной особенностью, отличающей производство полуцеллюлозы от производства ЦВВ, является наличие двух ступеней обработки сырья: химической (варки) н механической (разделения полученного продукта на волокна). В результате варки из древесины получают продукт, лишь в небольшой степени освобожденный от лигнина и гемицеллюлоз (удаляется 25——50 % лигнина и 30—40 % гемицеллюлоз от содержания их в исходном сырье). Такая относительно низкая степень делигнификации обусловливает еще настолько сильную связь волокон древесной ткани межклеточным веществом, что для их разделения в волокнистую массу требуется механическая обработка полученного продукта. Ступенью механической обработки является размол полученного продукта в волокнистую массу
с помощью мельниц [3]. При производстве ЦВВ растительное сырье делигнифицируется до такой степени, что межклеточное вещество удаляется практически полностью и продукт может быть разделен на волокна без механического размола, например размыванием струей воды.
Для варки полуцеллюлозы и ЦВВ пригодны все древесные породы, а также тростник и солома. Наиболее распространенными методами варки являются сульфатный, натронный, сульфитный, бисульфитный и нейтрально-сильфитный. Полуцеллюлозу и ЦВВ получают периодическим и непрерывным методами. Для варки полуцеллюлозы и ЦВВ перспективно использование непрерывнодействующих установок типа《Камюр》，«Пандия», «Дефибратор». Ступень химической обработки (варка) в установках《Камюр》и «Пандия» по сути ничем не отличается от варки целлюлозы.
Качество полуцеллюлозы и ЦВВ в значительной степени зависит от ступени механической обработки — разделения получаемых в результате варки продуктов на волокна. Разделение полу- проваренной (либо размягченной) щепы на волокна осуществляется в процессе размола на дисковых мельницах различных конструкций и исполнения. Следует отметить, что в современной технологии производства волокнистых полуфабрикатов, бумаги и картона дисковые мельницы применяются почти во всех потоках и для всех видов размола.
Размол ——разделение на волокна размягченной и полупрова- ренной щепы, сучков, пучков волокон и костры, осуществляемый в варочных цехах в одну или две стадии. Первая стадия дефибрирования проводится до промывки полуфабриката в присутствии щелока, вторая — после промывки. Именно такой двухстадийный процесс находит все большее применение при производстве ЦВВ (выход 50——60 %) и полуцеллюлозы (выход 70—85 %).
В производстве сульфатной ЦВВ в последние годы получил распространение размол массы, осуществляемый в одну ступень в мельнице, устанавливаемой непосредственно на линии выдувки, при высоком давлении и температуре 80—100 ℃ (низкотемпературная выдувка характерна для аппаратов《Камюр》). Разделение массы на волокна в этом случае происходит без повышения степени помола, при минимальном укорочении волокон, значительном снижении содержания костры и непровара. Этот метод размола увеличивает выход целлюлозы на 3——4 %, который может достигать 60 %, без ухудшения ее качества.
Для многотрубных аппаратов 《Пандня》 харатерен размол в две ступени: первая ——горячий размол (при рабочих давлении и температуре) после варочного аппарата до выдувного резервуара, вторая ——размол после промывки массы.
Во всем множестве типов дисковых мельниц, выпускаемых зарубежными фирмами и отечественной промышленностью, принцип размола один и тот же, отличаются они лишь конструктивными особенностями, производительностью и назначением. Наиболее распространены мельницы однодисковые и сдвоенные. На
рис. 16 показано устройство отечественной однодисковой мельницы МД-ЗУ (У — с усиленной камерой), предназначенной для внутри- поточного размола массы при температуре до 190 ℃ и давлении до 2,4 МПа. Диаметр размалывающей гарнитуры 1000 мм, частота вращения 1000 мин-1, производительность 300—500 т/сут.
В перспективе производство полуцеллюлозы химико-механическими методами будет широко развиваться. Предпосылками для этого являются: низкий удельный расход сырья (2,5——
Рис. 16. Однодисковая мельница МД-ЗУ с закрытой камерой:
/ — станина； 2 — размольная камера; 3 — неподвижный диск； 4 — размалывающая гарнитура; 5 — крышка камеры; 6 — диск ротора
3,6 м3/т), химикатов (6——8 % массы абсолютно сухой древесины), тепла и электроэнергии; невысокая требовательность к сырью; возможность переработки лиственных пород древесины и отходов, особенно на полуцеллюлозу для гофры; относительная простота и высокий технический уровень организации производства; дешевизна полуфабриката и высокий спрос его на производство тароупаковочных, оберточных, строительных и других видов бумаги и картона.
ПРОМЫВКА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Назначение и общая характеристика процесса промывки. Целлюлозная масса после варки представляет собой суспензию волокон в отработанном щелоке, в которой содержится 4——6 м3 (сульфатная варка) и 6—8 м? (сульфитная1 варка) щелока на 1 т воздушносухой целлюлозы. Основная масса щелока (около 75 %) составляет свободный (наружный) щелок, окружающий отдельные щепочки, пучки волокон и волокна, 15——20 % щелока заключено во внутренних каналах и полостях клеток, около 5 % щелока содержится в межфибриллярных пространствах клеточных стенок.
'Назначение промывки заключается в возможно более полном отделении отработанного щелока от целлюлозных волокон при минимальном разбавлении его промывной водой. Поскольку методы механического разделения щелока и волокна (прессование, центрифугирование) дают возможность удалить только свободный щелок и его часть, заключенную в волокнах, т. е. не обеспечивают полноты разделения, то главным образом применяют промывку во^ой.
При промывке водой свободный щелок из массы удаляется вытеснением без существенного разбавления. Щелок, заключенный внутри волокон, можно удалить только за счет диффузии веществ, растворенных в щелоке, из волокон в промывную воду. Этот процесс неизбежно связан со значительным разбавлением щелока промывной жидкостью, омывающей волокна снаружи. Полностью завершить процесс диффузии практически не удается даже при длительной последующей домывке целлюлозы свежей^ горячей водой и поэтому при отборе щелоков и промывке целлюлозы неизбежны потери растворенных, веществ. Следовательно, в виде используемого щелока невозможно отобрать все 100 % растворенных веществ, находящихся в щелоке после варки. В зависимости от преобладания процесса вытеснения или диффузии (разбавления) в практике применяют промывку методами вытеснения или разбавления.
Техника промывки целлюлозы. Промывку целлюлозы осуществляют периодически и непрерывным методами. Для промывки используют несколько типов аппаратов: диффузоры периодического и непрерывного действия, различные барабанные фильтры, прессы, а также сочетание этих аппаратов.
Промывка сульфатной целлюлозы и других полуфабрикатов, получаемых щелочными метрдами варки, по сравнению с промывкой сульфитных полуфабрикатов протекает значительно труднее и осложняется обильным пенообразованием из-за наличия в чер-' ном щелоке поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве ПАВ выступают натриевые соли смоляных и жирных кислот (сульфатное мыло), продукты растворения экстрактивных ве-； ществ при щелочной варке. Поэтому для промывки сульфатной целлюлозы требуется применение более сложных схем и оборудования.
Промывка целлюлозы в настоящее время осуществляется вы-弋 сокопроизводительным непрерывным методом на барабанных ； фильтрах и в диффузорах непрерывного действия. Промывка ； в диффузорах периодического действия, являвшаяся основным ； методом промывки до середины 50-х годов, теперь встречается : редко.
Промывка на барабанных фильтрах. Барабанный : фильтр состоит из ванны и вращающегося в ней барабана, цилиндрическая поверхность которого выполнена из перфорированных стальных листов и обтянута снаружи мелкой (фильтрую-； щей) сеткой. Принцип работы всех фильтров одинаков и заклю-
чается в отделении щелоков и промывной жидкости от слоя целлюлозной массы, формируемой на поверхности барабана, путем фильтрации жидкости через слой массы и сетку внутрь барабана при его вращении. В зависимости от метода интенсификации процесса фильтрации жидкости созданием определенной разности давлений над слоем целлюлозы и под фильтрующей сеткой барабана различают вакуум-фильтры и фильтры давления. В вакуум-фильтрах при помощи барометрических труб или
Рис. 17. Схема 4-ступенчатой промывной установки:
/ — выдувной резервуар; 2 — сучколовитель; 5 и 4 — двухэонные барабанные вакуум-фильтры; 5 — бассейн промытой массы; 6 н 7 — баки сборники фильтрата； 8 — пеносборник
вакуум-насосов под фильтрующей сеткой создается разрежение, а в фильтрах давления ——давление между кожухом и барабаном, нагнетаемое воздуходувкой.
Барабанные фильтры имеют различную фильтрующую поверх^, ность от 20 до 80 м2. Производительность фильтров определяется съемом волокна с 1 м2 фильтрующей поверхности. Съем массы при промывке целлюлозы нормального выхода составляет 7—8 т с 1 м2 в сутки. К основным недостаткам барабанных фильтров относятся: громоздкость промывных установок, неравномерность промывки, исключение диффузионной промывки, плохое обезвоживание из-за пенообразования.
Поскольку отделить отработанный щелок от целлюлозной массы трудно, а полностью практически невозможно, то для отбора органических веществ щелока до 90 % и выше применяют многоступенчатые промывные установки. Во всех промывных установках осуществляется непрерывная противоточная схема, в которой целлюлозная масса движется навстречу промывной жидкости. На рис. 17 показана схема 4-ступенчатой промывной установки для промывки сульфатной целлюлозы на рассмотренных выше 2-зонных вакуум-фильтр ах. Масса из выдувного резервуара при концентрации 3—3,5 % подается на сучколовители для удаления сучков и непровара. Перед сучколовителем массу разбавляют крепким черным щелоком, до концентрации 1—1,5 %. После сучколовителей масса поступает на фильтр, где ее промы-
вают в две ступени: вначале крепким, затем слабым черным щелоком, отбираемым с фильтра. Перед фильтром массу концентрацией 12—16 % снова разбавляют до концентрации 1——1,5 % и промывают в две ступени на фильтре наиболее слабым (в этой схеме) черным щелоком и свежей горячей водой. Промытая целлюлоза собирается в бассейне, а фильтраты — в баках, причем в каждом баке раздельно собираются по два фильтрата. Крепость фильтратов (черных щелоков), отбираемых последовательно на четырех зонах промывки, повышается. Последний фильтрат с бака, отбираемый о
первой зоны промывки, представляет собой крепкий черный щелок, используемый частично для варки и разбавления массы перед сучколовителями. Основная масса отобранного черного 5 щелока поступает на регенера-
Рис. 18. Общий вид промывного диффу-зора непрерывного действия:
/ — корпус； 2 — сопло; 3 — вито; 4 — приводной механизм скребков и сопел： 5 — скребок; 6 — дренажная труба
цию. Образующаяся при работе фильтров пена собирается в пено- сборнике, гасится и присоединяется к крепкому щелоку.
Промывка массы в диффузоре непрерывного действия. Этот метод промывки, предложенный фирмой «Ка- мюр》, лишен недостатков характерных для барабанных фильтров. Промывка в диффузорах происходит при стабильной и высокой концентрации, в равномерном слое массы и при равномерном распределении промывной жидкости, при высокой температуре без доступа воздуха и при продолжительности вытеснения щелока, в 60 раз превышающей таковую для фильтров.
Диффузор непрерывного действия (рис. 18) состоит из корпуса, внутри которого на расстоянии 350—450 мм концентрично расположены цилиндрические сита, имеющие сложное устройство. Масса из варочного аппарата концентрацией 10—12 % подается в диффузор снизу и медленно движется вверх в кольцевые пространства между ситами. Промывная жидкость поступает в зону промывки массы через сопла, движущиеся по окружности в массе посредине между ситами. Жидкость по выходе из сопла диффундирует в радиальном направлении через массу к ситам, вытесняя щелок из массы. Фильтрат отводится через сита под небольшим вакуумом, причем, в зависимости от места отбора щелока крепость его неодинакова. Промытая масса в верхней части
диффузора непрерывно удаляется разгрузочными скребками в бассейн промытой массы.
Последним развитием конструкции диффузоров является 2-ступенчатый диффузор, в котором осуществляется эффективная 2-ступенчатая противоточная промывка целлюлозы.
Промывка массы методо м отжи м а в прессах. Этот метод получил наибольшее распространение для промывки ЦВВ и полуцеллюлозы. Промывка в прессах организуется в нисколько ступеней. Крепкий щелок из массы концентрацией 8— 12 % отжимается на первой ступени, затем сгущенная масса разбавляется слабым щелоком до той же концентрации, отжимается в следующем прессе и т. д. Перед последней ступенью промывки масса разбавляется свежей горячей водой. Показатели работы промывного отдела представлены в табл. 6.
ТАБЛИЦА 6 -
Показатели
Диффузор периодического действия
Барабанный вакуум- фильтр
Диффузор непрерывного действия
Расход горячей воды, м3/т
10—15
8—11
3—7
Количество отбираемого щелока, м3/т
8^-10
7—8
5—6
в. с. ц.
Фактор разбавления,* м3/т в. с. ц.
2,5—3,5
2—3
1,5—2,0
Потери щелочи в пересчете на суль-
20—35
15—35
7—11
фат натрия, кг/т в. с. ц.
при промывке
* Показывает какой объем воды, м3, дополнительно вводится в щелок на 1 т в. с. ц.
ОЧИСТКА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Назначение и общие принципы очистки целлюлозы. Целлюлозная масса, получаемая в результате варки, древесная и макулатурная масса всегда содержат загрязнения, имеющие различное происхождение, форму и размеры. Перечисленные волокнистые массы также очень неоднородны по размеру волокон. Загрязнения или сор разделяют на органические (сучки, непровар, щепки, костра, частички коры, луб, узелки, пучки волокон, слизь, обрывки веревок, ниток； клочки бумаги и картона, кусочки полиэтилена, имеющие удельный вес равный удельному весу целлюлозных волокон) и минеральные (песок, частички угля, металлические включения, с удельным весом большим, чем у целлюлозы). Кроме того, для многих видов целлюлозы недопустимо присутствие мелких волокон (мелочи)—обрывков трахеид, сердцевинных лучей и смоляных ходов, являющихся носителями 《вредной》 смолы, а также частичек эмульгироваиной смолы. Перечисленные загрязнения не только ухудшает внешний вид волокнистых полуфабри-
катов, но и существенно затрудняют их дальнейшую переработку. / Поэтому более полное отделение всех загрязнений от волокон, 2 в некоторых случаях также повышение размерной однородности волокнистой массы фракционированием (отделением мелочи) являются назначением очистки волокнистой массы.
Очистка волокнистой массы от сора происходит в сортировках различных конструкций. Процесс сортирования включает: грубое сортирование — отделение сучков, непровара и щепок; тонкое сортирование—отделение костры, частиц коры, луба и пучков воло- кой; отделение от массы минеральных загрязнений; фракционирование целлюлозы — отделение от массы мелочи и частичек смолы (характерно для очистки сульфитной целлюлозы). Все виды сортирования осуществляют в две-три ступени. Сортирование целлюлозы чаще проводят после промывки -массы. Однако при промывке сульфатной целлюлозы сортирование можно осуществлять и перед промывкой (так называемое горячее сортирование).
Схемы очистки целлюлозы. Очистку целлюлозы осуществляют в очистных цехах целлюлозах заводов по многоступенчатой схеме. Во всех технологических схемах сохраняется непрерывный многоступенчатый принцип очистки, но сами схемы могут быть различны в зависимости от вида очищаемой массы, а также от типа применяемого оборудования. Последовательность очистки следующая: грубое сортирование, выполняемое на вибрационных и центробежных сучколовителях; тонкое сортирование, чаще всего выполняемое в центробежных сортировках или вертикальных сортировках давления и вихревых очистителях (центриклинерах). В сортировках из целлюлозы удаляют большую часть костры — основной вид сора целлюлозной массы, а также луб, мелкий непровар и частично кору. В центриклинерах из целлюлозы удаляют песок, частицы цемента, кору, оставшуюся костру и луб. Сортирование на сучколовителях и сортировках выполняется обычно в две, а в центриклинерах—в три ступени.
Характерной особенностью очистки сульфитной целлюлозы является наличие в схеме смолоотделителей для удаления смолы с мелким волокном. На рис. 19 показана схема промывки и очистки небеленой сульфатной целлюлозы. Целлюлозная масса из бассейна перед промывкой поступает на грубое сортирование в сучколовитель. Пройдя сучколовитель первой ступени, отсортированная ‘масса подается на промывку. Отходы направляются на сучколовитель второй ступени, после которого дополнительно отсортированная масса возвращается в бассейн и поступает на повторное грубое сортирование, а отходы объединяются с отходами от сортировок второй ступени тонкого сортирования и общим потоком направляются на переработку.
Промытая масса из бассейна подается непосредственно на тон- ' кое сортирование, осуществляемое вначале в две ступени в сортировках, а затем в четыре ступени в центриклинерных установках. Поток отсортированной массы после сортировок первой ступени собирается в бассейне, откуда направляется на первую ступень
центриклинеров. Пройдя их, масса поступает на вторую ступень центриклинеров, откуда поток очищенной массы, предварительно сгущенный на сгустителе, перекачивается насосом в бассейн высокой концентрации. Поток отходов от сортировок первой ступени сортируется в сортировках второй ступени. Отсортированная .масса присоединяется к потоку массы на тонкое сортирование. Поток отходов центриклинеров первой ступени объединяется с отходами четвертой ступени и направляется в сток. Отходы центриклинеров второй ступени сортируются на третьей ступени. Отсортированная масса присоединяется к потоку очищенной массы, а отходы сортируются на четвертой ступени. Отсортированная масса из четвертой ступени повторно сортируется на третьей ступени, а отходы направляются в сток.
•хщ^иом «OMOQSO ооояи I ^qvNHloAJQ——''〈ни-зхийньо 03sas0l5HHodHJ,do——6 -зи«80«ю W3«OQ«S I эд Н0М05Н HMB9IZ -шайчх^ O3W «озяоас I to -HHalhuoILqlralHmoIfoxbAQIg -ннзил!I qHooxhA—二 НЕЗЗЕВ MZHqlmHHGBdA I g -жешоилф «ои§яз« — ^- -чшном «зя^оаям I "38К.2ЧЧЙ «ояьлл«лч^о HysHho н ямюзаолс «5йи .61HdaEQPDQD•хщ^иом «OMOQSO ооояи I ^qvNHloAJQ——''〈ни-зхийньо 03sas0l5HHodHJ,do——6 -зи«80«ю W3«OQ«S I эд Н0М05Н HMB9IZ -шайчх^ O3W «озяоас I to -HHalhuoILqlralHmoIfoxbAQIg -ннзил!I qHooxhA—二 НЕЗЗЕВ MZHqlmHHGBdA I g -жешоилф «ои§яз« — ^- -чшном «зя^оаям I "38К.2ЧЧЙ «ояьлл«лч^о HysHho н ямюзаолс «5йи .61HdaEQPDQDЗаслуживает внимания схема промывки и очистки целлюлозы для отбелки введенного в строй в 1981 г. Усть- Илимского целлюлозного завода. Схема отличается простотой и высокой эффективностью в работе. Первая ступень промывки осуществляется в зоне диффузионной промывки варочного котла «Ка- мюр》. Окончательная промывка массы выполняется，в диффузоре непрерывного действия, куда масса поступает из выдувного резервуара. Про- мьпая масса дополнительно разделяется на волокна в фи- брилляторе, накапливается в бассейне й поступает на очистку в сортировку юнискрин,
•хщ^иом «OMOQSO ооояи I ^qvNHloAJQ——''〈ни-зхийньо 03sas0l5HHodHJ,do——6 -зи«80«ю W3«OQ«S I эд Н0М05Н HMB9IZ -шайчх^ O3W «озяоас I to -HHalhuoILqlralHmoIfoxbAQIg -ннзил!I qHooxhA—二 НЕЗЗЕВ MZHqlmHHGBdA I g -жешоилф «ои§яз« — ^- -чшном «зя^оаям I "38К.2ЧЧЙ «ояьлл«лч^о HysHho н ямюзаолс «5йи .61Hd
aEQPDQD
•хщ^иом «OMOQSO ооояи I ^qvNHloAJQ——''〈ни-зхийньо 03sas0l5HHodHJ,do——6 -зи«80«ю W3«OQ«S I эд Н0М05Н HMB9IZ -шайчх^ O3W «озяоас I to -HHalhuoILqlralHmoIfoxbAQIg -ннзил!I qHooxhA—二 НЕЗЗЕВ MZHqlmHHGBdA I g -жешоилф «ои§яз« — ^- -чшном «зя^оаям I "38К.2ЧЧЙ «ояьлл«лч^о HysHho н ямюзаолс «5йи .61Hd
aEQPDQD
где очищается от всех видов сора в одну ступень. Очищенная масса накапливается в бассейне и, пройдя вакуум-формующий ба- рабан (сгуститель), подается на отбелку. Поток отходов сортирования и сортировки направляется на сучколовитель. Отделенные сучки и непровар отжимаются в прессе, собираются в бункере и поступают в сборник отходов. Отсортированная в сучко- ловителе масса собирается в бассейне отходов и, пройдя много- клинер, сортировку юнискрин, сгуститель и рафинер, поступает в бумажное производство.
Потери волокна при очистке зависят от многих факторов и обычно равны 1—2 %. Количество сучков и непровара зависит от выхода целлюлозы и может составлять 1,5——2 % массы всего волокна.
О качестве очистки судят по показателю сорности целлюлозы, характеризуемой числом соринок, видимых невооруженным глазом во влажном образце целлюлозы в проходящем свете, с последующим пересчетом на 1 м2 листа массой 500 г абсолютно сухого волокна. Сорность целлюлозы первого сорта должна быть не более 850 соринок площадью от 0,1 до 1 мм2 на 1 м2. Вообще контролируются соринки площадью от 0,06 до 5 мм2, что отвечает размерам частиц от точечного сора до частиц толщиной 0,3— 0,5 мм и длиной до 7 мм. Отходы очистного отдела (сучки, непровар, отходы сортирования и волокно, улавливаемое из сточных вод) используются для выработки бумаги или картона.
ОТБЕЛКА И ОБЛАГОРАЖИВАНИЕВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Назначение и методы отбелки. Вырабатываемые волокнистые полуфабрикаты имеют низкую белизну, оцениваемую сравнением их белизны с эталоном — сульфатом бария (BaSO4), белизна которого принята за 100 %, и выражаемую в процентах. Так, белизна небеленых целлюлоз существующих методов варки колеблется в пределах 20—65 % и для сульфатной целлюлозы (цвет коричневый) составляет 18—28 %, а для сульфитной (цвет серый) 55——65 %. Полуфабрикаты с такой белизной непригодны для производства белой бумаги и химической переработки. Назначением отбелки является придание волокнистому полуфабрикату высокой и стабильной белизны. Пррцесс этот называют отбелкой, а продукт, полученный в результате отбелки, беленым (например, целлюлоза беленая).
Темную окраску небеленых полуфабрикатов обусловливает содержащийся в стенках волокон лигннн, вернее его хромофорные группы, образующиеся как результат сложных структурно-химических превращений лигнина в процессе варки или термомехано- химических воздействий при размоле и дефибрировании древесины. Понижают белизну также смолы, танниды и другие вещества.
Отбелку полуфабрикатов осуществляют двумя методами: обесцвечиванием хромофорных групп изменением структуры лигнин- ных компонентов; удалением лигнина из волокон. Применение первого метода характерно для отбелки древесной -массы и полуцеллюлозы, где существенное снижение выхода удалением лигнина лишило бы основного преимущества (высокого выхода полуфабриката), связанного с производством этих полуфабрикатов. Второй метод широко применяется для отбелки целлюлозы известных методов варки различного целевого назначения.
Характеристика белящих реагентов. С начала XIX в. до настоящего времени основными отбеливающими веществами являются хлор и его соединения — гипохлориты, двуокись хлора, а также перекиси. Объясняется это высоким избирательным разрушающим действием хлора и его соединений на лигнин и другие окрашивающие вещества, превращающим нх в легкоудаляемые соединения последующим растворением щелочью или водой, в то время как целлюлоза практически не затрагивается. В последнее десятилетие промышленное значение для отбелки приобрел кислород, явившийся основой перспективных методов отбелки: кислородно-щелочного и электрохимического.
Хлор С1г ——ядовитый газ желто-зеленого цвета, обладающий резким запахом и удушающими свойствами. В 2,5 раза тяжелее воздуха, хорошо растворяется в воде, образуя хлорную воду. При 0℃ и давлении 0,37 МПа превращается в жидкость. На целлюлозные заводы хлор поступает в жидком виде в стальных баллонах или вагонах-цистернах, где находится под давлением 1,5 МПа. В производство хлор подается в газообразном виде.
Гипохлориты кальция Са(ОС1)2 и натрия NaOCl ——растворы, получаемые насыщением хлором (соответственно) известкового молока Са(ОН)г и едкого натра или кальцинированной соды в хлораторах. Растворы гипохлоритов, как и других соединений хлора, характеризуются содержанием активного хлора. Содержание его в гипохлорите кальция 20——30 г/л, в гипохлорите натрия 25—40 г/л.
Двуокись хлора CIO2 — ядовитый газ оранжево-желтого цвета. Под влиянием температуры выше 65 ℃, искр, прямых солнечных лучей разлагается со взрывом： 2CIO2 —> С12+ 20г. Готовят его непосредственно на целлюлозных заводах восстановлением хлоратов натрия NaClOg или кальция Са(С10з)г в сильнокислой среде различными восстановителями (метанолом, сульфатом хрома, двуокисью серы и т. п.): 2NaCIO3 + SO2 —^ 2С10г| + Na2s0冬
Перекись водорода Н2Ог имеет вид сиропообразной жидкости, легко разлагающейся на воду и кислород: 2Н20з -> 2НгО + О2 f・ Для повышения стабильности перекиси к ней добавляют стабилизаторы (силикат натрия, соли магния, фенол, формальдегид и др.). Перекись водорода взрывоопасна. Ее поставляют в алюминиевых бочках, при концентрации 30—60 %.
Перекись натрия NazO?——желтоватый порошок, легко поглощающий воду и углекислый газ из воздуха. Воспламеняет многие органические вещества, взрывоопасна.
Современные представления о химизме процесса отбелки. По существу происходящих процессов отбелку часто рассматривают как продолжение варки. Основное отличие состоит в проведении делигнификации в более мягких условиях, чем при варке, и применении избирательных белящих реагентов. Выяснено； что для приобретения целлюлозой белого цвета1 достаточно удаления
из нее лигнина. Однако целлюлоза получается еще качественнее, если в процессе отбелки одновременно удается освободиться от таннидов и красителей.
С химической стороны основу процесса отбелки составляют реакции окисления лигнина кислородом и его хлорирования. Превалирование реакции хлорирования лигнина (образова- нне хлорлигнина) наблюдается только при использова- ннн газообразного хлора или хлорной, воды, во всех остальных случаях протекает преимущественно окисление. Механизм разрушения лигнина представляется в виде цепного процесса. Вначале происходит окисление и разрыв боковых цепей лигнина (фрагментация), затем процесс распространяется на ароматические ядра с их частичным разрушением. Одновременно идет хлорирование ароматических ядер лигнина. Образующиеся в процессеютбелки окисленные и хлорированные лигнины и продукты их разрушения затем легко растворяются щелочью и удаляютя из целлюлозы, а целлюлоза приобретает белый цвет. Следует помнить, что, воздействуя на лигнин, белящие реагенты частично разрушают гемицеллюлозы и целлюлозу, поэтому в процессе отбелки имеет место снижение выхода волокна как за счет удаления лигнина, так и нз・за разрушения и удаления части гемицеллюлоз и целлюлозы.
Ступени отбелки. Достичь высокой белизны целлюлозы одноразовой обработкой каким-либо белящим реагентом невозможно- Для придания требуемых свойств и одновременно для рациональ- ного использования реагентов отбелку проводят по многоступенча- той^ схеме. Причем из-за специфических особенностей действия, свойств и стоимости конкретных белящих реагентов, а также вида отбеливаемого волокнистого полуфабриката сочетание их в техно^ логической схеме различно, т. е. носит комбинированный харак- тер. Следовательно, отбелку проводят по многоступенчатымдом- бинированным схемам. К основным факторам, влияющим на качество и выход беленой целлюлозы при обработке волокнистой массы на каждой ступени, относятся: качество исходной небеленой целлюлозы", расход и вид белящего реагента, продолжитель- ность и температура обработки, pH среды и концентрация- массы.
Количественно потребность в белящих реагентах оценивают по расходу активного хлора, определяемого прежде всего степенью делигнификации исходной целлюлозы и. той степенью белизны, которую необходимо достичь. Во всех случаях чем меньше степень делигнификации и выше требуемая белизна целлюлозы, тем больше расход активного хлора на отбелку и наоборот. Общая потребность хлора на отбелку по всем ступеням может йыть принята в пределах 5—7 % массы волокна.
Хлорирование (X) является наиболее дешевым методом отбелки волокон; его применяют на первых ступенях отбелки, куда поступает небеленая целлюлоза с высоким начальным содержанием остаточного лигнина. В специальных смесителях небеленую целлюлозу смешивают с газообразным хлором или хлорной водой и направляют в башню хлорирования. Соляная 74
и хлорноватистая кислоты, образующиеся по реакции Cl2 T. + HOH^HCl + НС1О, обусловливают йротекание процесса в кислой среде. Для хлорирования характерно образование хлорлиг- нина, придающего целлюлозной массе яркую оранжево-красную окраску, с которой она выходит из башни хлорирования и поступает на промывку водой, а затем на щелочную обработку. Хлорирование проводят при температуре 20—40 ℃, концентрации массы 3—3,5 % и времени пребывания в башне 40—45 мин. При отбелке жестких и особенно сульфатных целлюлоз хлорирование происходит в две ступени с обработкой целлюлозы щелочью между ними. Расход хлора на хлорирование в зависимости от степени делигнификации целлюлоз составляет 50——70 % общей потребности на отбелку.
Хлорирование сульфатной целлюлозы происходит медленнее, чем сульфитной, и отличается большей трудностью удаления остаточного лигнина. Если степень делигнификации сульфитной целлюлозы в процессе хлорирования в одну ступень по сравнению с исходной может быть понижена на 80——90 %, то степень делигнификации сульфатной понижается не более чем на 60—70 %'. Потребность в хлоре для добелки после хлорирования сульфатных целлюлоз составляет 2—3 % общего количества, в то время как для сульфитных всего 0,5—1 %.
Щелочение (Щ) представляет собой самостоятельную ступень отбелки, следующую за хлорированием. Остаточный хлор и частично хлорлнгнин после хлорирования удаляют промывкой целлюлозы водой на вакуум-фильтрах. Основную же массу хлор- лигнина извлекают щелочением целлюлозы (обработкой раствором едкого натра) в башнях щелочения, после чего оранжевая окраска исчезает и целлюлоза приобретает белый цвет. Расход едкого натра на щелочение составляет 0,5——1 % массы волокна при обработке сульфитной целлюлозы и 1—2 % при обработке сульфатной. Концентрация массы 4—18 %, продолжительность 30—60 мин, температура при щелочении сульфитной целлюлозы 20—60℃, сульфатной — 60—70 ℃. Из сказанного следует вывод, что отбелка сульфатных целлюлоз требует применения более сложных технологических схем и жестких режимов обработки реагентами.
Отбелка гипохлоритами (Г) преимущественно следует за Ступенью хлорирования. В результате гидролиза гипохлоритов кальция и натрия образуются соответствующие щелочи ——гидроокись кальция или гидроокись натрия, придающие среде щелочную реакцию： NaOCI + HOH—>NaOH + НСЮ. В этих условиях хлорноватистая кислота легко разлагается на соляную кислоту и атомарный кислород: HClOfНС1+ О. Атомарный кислород в момент выделения обладает сильной химической активностью и интенсивно окисляет и разрушает окрашивающие и лигнинные вещества； а также обесцвечивает волокнистый материал.
Второй по значимости реакцией является хлорирование лигнина за счет выделения хлора по реакции NaOCl + 2HCl->
f NaCl + H2O + CI2. Гипохлоритную отбелку целлюлозы проводят в башнях гипохлоритной отбелки в щелочной среде при pH 8—9, концентрации массы 10—12 %, температуре 35—40℃ в течение 2—3 ч. Щелочная среда способствует улучшению качества целлюлозы, достижению лучшей растворимости продуктов окисления и высоких механических показателей целлюлозы. Для повышения качества целлюлозы гипохлоритную отбелку обычно разделяют на две ступени с промежуточной промывкой массы водой н щелочением. Расход хлора на отбелку составляет около 1 % к массе волокна.
Отбелку двуокисью хлора (Д) широко применяют в последние годы из-за избирательного и эффективного действия этого не затрагивающего целлюлозы реагента на лигнин. Отбелка двуокисью позволяет достичь высокой белизны без заметного сни- женкя прочности целлюлозы и проводится в кислой среде при концентрации массы 7T4 %, температуре 50—80℃, продолжительности обработки 1—3 ч и расходе активного хлора 0,2—1 % массы волокна. Отбелка двуокисью обычно следует за гипохлоритной ступенью и может проводиться в две ступени со щелочением между ними.
От белку перекисями (П) широко применяют для отбелки целлюлозы в сочетании с уже рассмотренными белящими реагентами и для отбелки древесной массы в сочетании с гидросульфитом натрия. Особенность перекиси как белящего реагента состоит в способности хорошо отбеливать соринки, состоящие из коры и луба, и повышать белизну полуфабрикатов даже с высоким содержанием лигнина. Перекись и гидросульфит оказывают свое отбеливающее действие, изменяя структуру лигнина и смол в твердом состоянии, не удаляя их и не разрушая волокна.
Отбелку перекисью проводят при температуре 50—90 ℃, расходе перекиси 0,3—2 % массы волокна, продолжительности 1—2 ч, концентрации массы 10—12 %. При расходе перекиси 2——4 % массы волокна одноступенчатой отбелкой можно повысить белизну целлюлозы на 10—25 единиц.
^Кисловка (К)——обработка целлюлозы сернистой или соляной кислотой ——является конечной ступенью отбелки. Ее проводят в башнях или на барабанных фильтрах при концентрации массы 4—6 % в течение 30——60 мин. Кисловка стабилизирует (закрепляет) достигнутую белизну, снижает зольность и нейтрализует остаточный хлор. Она позволяет прервать отбелку в любой момент, что важно для регулирования процесса. Если на последней ступени отбелку целлюлозы проводят двуокисью хлора, то кисловку исключают, так как двуокись обеспечивает высокую стабильность белизны. Расход сернистого ангидрида на кисловку составляет 0,2—1 % массы волокна, pH среды 3—4, 5.
Облагораживание целлюлозы. Техническая небеленая целлюлоза содержит макромолекулы различной длины, т. е. имеет молекулярную неоднородность, которую определяют фракциониро- ванием — разделением ее на ряд фракций (частей), в каждую из 76
которых входят макромолекулы с СП в определенных узких пределах. Основную массу целлюлозы (86——88 %) составляет «-целлюлоза. Это наиболее длинноволокнистая фракция, нерастворимая в 17,5 %-ном растворе едкого натра. Остальные две фракции ₽- и у-целлюлозы низкомолекулярные и при нагревании со щелочью растворяются, что приводит к выравниванию молекулярной однородности целлюлозы. Этот принцип фракционирования целлюлозы положен в основу процесса облагораживания технических целлюлоз, используемых для химической переработки.
Беленая техническая целлюлоза с содержанием а-целлюлозы 86—88 %, успешно применяемая для производства бумаги, малопригодна для химической переработки. В целлюлозе для производства вискозного и штапельного волокна содержание а-целлюлозы должно быть не менее 92 %, а для корда и ацетатного шелка — не менее 95,5—96,7%. Такое высокое содержание а-целлюлозы достигается в процессе облагораживания целлюлозы за счет растворения низкомолекулярных фракций (с СП меньше 250) целлюлозы и вместе с ними еще содержащихся в ней значительных частей гемицеллюлоз (2,7——6 %), лигнина (0,6——1,3 %), смол и жиров (0,6—1,0%). Обычно потери волокна при получении целлюлозы, пригодной для химической переработки, составляют 28—30 %, из которых около 22 % приходится на облагораживание [3].
На практике применяют два метода облагораживания ——холодное и горячее. Холодное облагораживание проводят обработкой целлюлозы 9—12 %-ным раствором едкого натра при температуре 18—20 ℃ в течение 30—60 мин и концентрации массы 15 %, а горячее ——обработкой 0,5——2%・ным раствором едкого натра при температуре 95—130 ℃ в течение 2—3 ч и концентрации массы 8—10 %. Наиболее широко применяют горячий метод, который совмещают с многоступенчатой отбелкой. Облагораживание выполняют между определенными ступенями отбелки.
Современные схемы отбелки волокнистых полуфабрикатов. Для каждого вида полуфабриката, исходя из требований к конечному продукту, подбирают наиболее рациональную схему отбелки. На практике число ступеней отбелки целлюлозы колеблется от 3 до 11. Для отбелки Хсульфитной целлюлозы для бумаг, имеющей белизну после варки 55——65 %, применяют от 3 до 7 ступеней по схемам: X—Щ—Г; X—Щ—Г—Д; X—Щ—Г— Г-Д—К; X—X—Щ—Г—Г—Д—К. в зависимости от выбранной схемы и исходной белизны целлюлозы конечная белизна достигает 85—95 %. Приведенные схемы отбелки сульфитной 'целлюлозы применимы для отбелки бисульфитной и нейтрально-суль- фитной целлюлозы.
Сульфатная целлюлоза, имеющая после варки белизну 18一 28 %, поддается отбелке гораздо труднее сульфитной. При сохранении высокой прочности волокна ее не удается отбелить более чем на 75 %. Применяемые в настоящее время схемы^отбелки позволяют обеспечить получение белизны сульфатной целлюлозы
до 85—90 %, но с потерей прочности волокна на 5—7 %. Схемы отбелки сульфатной целлюлозы: X—Щ—X—Щ—Г—Щ—Г—К; X一Щ—r—III-Г—Д; X—Щ—Д—Щ—Д и X_Щ—r一Д一Щ—Д.
Отбелку древесной массы осуществляют белящими реагентами, не приводящими к заметному снижению ее выхода. Так, повышение белизны на 4——6 % достигается гидросульфидом (ГС), а на 19—12 %——перекисью. При отбелке древесной массы применяются схемы: П—ГС; ГС—П. По указанным схемам без промывки между ступенями отбелки можно достичь белизны древесной массы 80 %. Аналогичные схемы применяют для отбелки термомеханической массы (ТММ). Белизна ТММ из хвойной древесины после отбелки достигает 72 %.
Техника отбелки. Отбелка волокнистых полуфабрикатов осуществляется в основном непрерывно в отбельных установках, со- став оборудования и конструкции которых значительно отличаются в зависимости от метода отбелки. К настоящему времени наряду с широко распространенным методом отбелки полуфабри- катов в водных растворах химических реагентов нашли применение новые перспективные методы: газовая отбелка и динамическая отбелка, или отбелка вытеснением.
Рассмотрим отбелку полуфабрикатов в водных растворах химических реагентов. В табл. 7 при- веден режим отбелки целлюлозы с выходом 48 % по схеме X—Щ—Д—Щ—Д—К, предназначенной для производства бумаги-основы для мелования и бумаги для печати № 2. Конечная белизна целлюлозы при такой схеме достигает 88—89 %.
ТАБЛИЦА 7
Ступень отбелки
Концентрация массы, %
Продолжительность обработки, мин
Температура, ℃
pH среды
Белящие реагенты
Расход реагентов, % массы целлюлозы
Хлорирование
3
60
16
1,5—2,5
С12
5,6
Щелочение
11—12
120
70
10—12
NaOH
2,0
Обработка двуокисью хлора
10—12
210
80
7,5
сю2
NaOH
0,6
0,22
Щелочение ,
11—12
120
65
10—12
NaOH
2,0
Обработка двуокисью хлора
10—12
120
80
7,5
сю2
NaOH
0,4
0,12
Кисловка
Сернистая кислота подается в винтовой конвейер последнего промывного фильтра
so2
1,0
В табл. 8 приведены показатели, качества беленой сульфитной и сульфатной целлюлозы, после их отбелки по различным схемам.
Кислородно-щелочная отбелка полуфабрикатов (КЩ) изобретена в. СССР профессором В. М. Никитиным. Первые промышленные установки кислородно-щелочной отбелки
ТАБЛИЦА 8
Схема отбелки
Белизна, %
Вязкость, МПа-с
Разрывная длина, м
Сопротивление излому, число двойных перегибов
Сульфитная целлюлоза небеленая
—
225
9 500
3100
х-щ—г
92,0
35
8000
1100
x—щ—г—щ—г
.92,0
33
9 200
2500
х-щ—г—щ—д
92,6
139
9 700
4800
Сульфатная целлюлоза небеленая
120
11500
'7200
Х—Щ—Г'
80,4
17,5
11 100
5400
X-Щ—X—щ—г —щ—д
86,8
42,6
11400
9000
х-щ-г-щ-д-щ-д
89,5
40,3
11400
9500
введены в эксплуатацию в 1970 г. Метод такой отбелки основан на благоприятном окислительном воздействии молекулярного кислорода на лигнин древесных волокон в щелочной среде. Кислородно-щелочная обработка позволяет удалить практически весь лигнин (по 95 %). Однако такая высокая степень делигнификации целлюлозы кислородом в присутствии щелочи сопровождается значительным снижением выхода и ухудшением свойств. Поэтому глубину делигнификации целлюлозы ограничивают определенными пределами и, кроме того, для уменьшения окислительной деструкции углеводной части вводят стабилизаторы — различные соединения магния (магниевые комплексы).
Кислородно-щелочная отбелка обладает следующими преимуществами: значительно сокращается общий объем сточных вод и их токсичность; сокращается расход хлора на отбелку на 50— 80 %, а в некоторых случаях возможно полное его исключение; отработанный щелок может быть использован для приготовления варочных растворов; легче решаются проблемы удаления смолистых веществ; возможно полное отбеливание костры; химические потери волокна при отбелке сульфатной целлюлозы для бумаги уменьшаются на 1—2%, а при отбелке и облагораживании сульфитной целлюлозы для химической переработки ——до 6 %.
Сущность метода отбелки полуфабрикатов газообразными реагентами заключается в обработке распушенной целлюлозы концентрацией 30—40 % газообразными реаген-, тами в реакторах специальной конструкции, где осуществлено противоточное движение массы и газа. Продолжительность отбелки массы по схеме X—А—Д—А—Д в установках незначительна: так, процесс хлорирования продолжается 1——5 мин, обработка аммиаком—секунды, а делигнификация двуокисью хлора ——около 20 мин.
Динамическая от б ел ка — новый метод, основанный на непрерывном перемещении не только волокна в реакторе, но и раствора отбеливающего реагента относительно волокна. Такой. характер - ведения процесса способствует интенсивному удалению продуктов реакции от пограничного слоя «волокно — раствор»
и обеспечивает высокую движущую силу химических реакций. В результате скорость процесса значительно повышается, продолжительность отбелки снижается в несколько раз и завершается в течение 10——15 мин. Перемещение раствора отбеливающего реагента относительно волокна осуществляется его непрерывным прокачиванием (вытеснением) через слой движущейся массы.
Обработка массы осуществляется при концентрации 10—12 % без промежуточной промывки целлюлозы между ступенями отбелки, так как при вытеснении одного реагента другим смешения их из-за отсутствия перемешивания массы не происходит. В настоящее время уже работает несколько установок этого типа производительностью более 500 т/сутки каждая. Отбелка методом вытеснения является важнейшим этапом в решении проблемы снижения металлоемкости, энергоемкости оборудования, уменьшения объема сточных вод и их токсичности.
Глава 2
ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ
Древесной массой называют волокнистый полуфабрикат, получаемый механическим разделением древесины на волокна. Открытие этого метода принадлежит немецкому изобретателю Ф. Келлеру, который в 1843 г. впервые получил волокнистую массу истиранием древесины на точильном камне и назвал ее древесной массой.
Древесная масса — один из самых экономичных полуфабрикатов: при ее изготовлении достигается 95—96 %-ный выход волокна из древесины. В ее производстве отсутствуют процессы варки, приготовления и регенерации химикатов, что значительно снижает загрязненность окружающей среды и требует менее дорогостоящих очистых сооружений.
Благодаря дешевизне и доступности древесная масса нашла широкое применение в производстве бумаги и картона. Она входит в композицию подавляющего большинства видов бумажнокартонной продукции в пределах от 10 до 90 %. Ее удельный вес в балансе волокнистых полуфабрикатов бумажно-картонного производства составляет около 40 %. Однако, имея неоспоримые преимущества перед другими волокнистыми полуфабрикатами, древесная масса в то же время обладает рядом существенных недостатков: низкой по сравнению с целлюлозным прочностью бумажного листа, высокими требованиями к качеству древесного сырья и высоким удельным расходом электроэнергии при ее производстве.
В настоящее время существует два метода производства древесной массы ——дефибрерный и рафинерный. В первом методе
g 5 e®g g u g g g § g-e§
豈口区 3 税佘9 s 一с нн=a^S di v
зл ° м 双之 g^^uJ 耳 古 Sb go
§ 22女9^舌 § 5 ®
ё gfss§g§-SgSS<0£§5
gg 口^障wщ ® g§ 8»^ w
s 2 3uZdнн^оно$ box d i
CQajK9XUAHg CQcOhSJj СОсозевкиз 匚 UJf-m
ggy &s&i 5oO§ lgs§§§
0 S £任dO^q|①朵x
d^og 法 ZBU^dlMHi&启0莒9^gu 工
工I S^^sSh2 к 2 q5 о
Hxg^ 口心口 2cQn^3 H”HKd g = Hix
岂詳 O^s魏疆 SfSegg 泸賞週
р| ：|iii：Ii1鎏嘉I藹哽霞
騎需 ^gtgl^gf^S S 5 fI :時笋談"
S 3 SZoU d£ 2a)Bd EdiHdoZн 2 3 о о
召 ХОЗ U$9^u匚 Екни CQUOX9EJ 匚 3K036UU
С «с« 2С 4
ЧJВв々ЗовоV
Щ о СCQ9НCQHJ 口 9S
:S d
§з § §заа
口^口Eddd
⧧P?翳 1
в в 二 Weyу 二
К d N dhNg S
gg Xj-KWjj
6 YnMunvl
6 ,3аказ № 56
8i8i
8i
8i
древесная масса производится истиранием балансов абразивной поверхностью камня в дефибрерах; она получила название дефиб- рерная древесная масса (ДДМ). Во втором методе древесная масса вырабатывается из щепы размолом ее в дисковых мельницах и называется рафинерной древесной массой (РДМ). Виды древесной массы, методы получения, характеристика качества и область применения приведены в табл. 9.
§ И. ПРОИЗВОДСТВО ДЕФИБРЕРНОЙ ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ
Общая схема производства ДДМ. Для производства ДДМ в основном применяется малосмолистая высококачественная древесина ели й пихты в виде балансов. Подготовка древесины осуществляется так же, как и для целлюлозного производства. Балансы, после распиловки на отрезки длиной 1—1,2 м, в зависимости от типа применяемых дефибреров, подаются на линию загрузки дефибреров. В дефибрерах происходит разделение древесины на волокна, которые, смешиваясь с водой, подаваемой на спрыски, образуют водио-волокнистую суспензию — древесную массу, концентрацией 1,5—2,5%. Далее масса разбавляется водой до концентрации 1—1,5 % и проходит грубую очистку на ще- половках. Щепа, обмолыши, крупная костра направляются на размол в молотковые мельницы, а хорошая масса в бассейн. Из бассейна масса направляется на тонкое сортирование, очистку и далее в композиционный бассейн. Древесная масса, полученная после обработки отходов в молотковых мельницах, и отходы тонкого сортирования направляются на рафинирование в дисковые мельницы. Рафинерная масса возвращается в основной поток неочищенной массы на повторное сортирование и очистку.
Дефибрирование древесины. Производство ДДМ осуществляется в дефибрерах. Применяемые в промышленности дефибреры, несмотря на большое разнообразие конструкций, принципиально отличаются только системой подачи балансов к основному рабочему органу — дефибрерному камню. Наибольшее развитие и распространение в промышленности нашли только два типа дефибреров — цепные и двухпрессовые.
Устройство и работу дефибрера рассмотрим на примере цепного дефибрера ДЦ-04-1 (рис. 20). Рабочий орган дефибрера — керамический дефибрерный камень диаметром 1800 мм — расположен внутри станины. Камень закреплен на главном валу и приводится во вращательное движение от электродвигателя. Частота вращения вала 300 мин-1. Над камнем расположена шахта для загрузки балансов. В нижней части шахты вдоль образующей камня закреплены гребенки, удерживающие баланс в зоне дефибрирования. При первом пуске цепного дефибрера балансы длиной 1,2 м укладываются в шахту вручную. В дальнейшем они поступают в шахту с линии загрузки дефибреров. К вращающемуся камню балансы со скоростью 80— 82
Рис. 20. Дефибрер цепной ДЦ-04-1:
/ — станина; '2 — дефибрериый камень; 3 — главный вал; 4 ——электродвигатель привода це-口efl дефибратора; 5 — шахта; 6 — цепь дефибрера; 7 — механизм подъема шахты; 8 —спрысковая труба; 9 — ковочный аппарат; 10 — в'аниа
100 мм/мин подаются под действием массы штабеля и под давлением выступов движущихся вниз цепей.
Дефибрер ные камни являются основным рабочим органом дефибрера. От состояния рабочей поверхности камня в значительной степени зависят качество ДМ, производительность дефибрера и расход электроэнергии. Камень должен иметь высокую механическую прочность, термо- и кислотостойкость, так как он работает с большой окружной скоростью под большим давлением и при значительных колебаниях температуры. Применяются искусственные кварцево-цементные и керамические камни.
Кварцево-цементные камни состоят из армированного стальными кольцами бетонного, сердечника ц рабочего абразивного слоя. В абразивный слой входят зерна абразивного материала — кварцевого песка, наждака или электрокорунда, скрепленного цементным связуюшим Основным их недостатком является короткий срок службы (2—3 мес). В зависимости от величины зерен абразивного материала, образующих рабочий слой, камни предназначаются для выработки ДМ различного характера помола:
Величина зерен, мм . . . 0,25~0,400,40—0,500,60—1,20
Степень помола массы Высокая Средняя (длинно- Низкая волокнистая) (для картона)
Керамические камни в качестве абразивного материала содержат корунд, электрокорунд или карбид кремния. Связующим служит смесь огнеупорной глины, полевого шпата и других веществ. Абразивный слой состоит из сегментов, прикрепляемых болтами к бетонному сердечнику. Керамические камни обладают большой прочностью и твердостью и могут работать при высоких окружных скоростях. Срок службы камня 2—3 года. Древесная масса, получаемая этим методом, более однородна, но имеет меньшую прочность из-за разрезания волокон древесины.
Процесс дефибрирования является сложным и условно подразделяется на /два — разделение древесины на волокна (собственно дефибрирование) и размол волокон. Суммарный процесс протекает в зоне дефибрирования, под которой понимают зону контакта древесины с поверхностью камня, и представляется следующим образом. Высокая температура (до 170——190℃), возникающая вследствие трения в зоне дефибрирования, вызывает интенсивное парообразование, обусловливающее размягчение и пластификацию древесины, ослабление связей между волокнами. Слои волокон с ослабленными связями отрываются и расщепляются абразивными зернами поверхности камня на пучки и отдельные волокна. Волокна дополнительно разделяются, разрабатываются и размалываются на рабочей поверхности камня и выносятся из зоны дефибрирования. Очистка камня производится двумя способами: смыванием оборотной водой, подведенной к спрыскам, или смыванием водой и окунанием камня в древесную массу, собираемую в ванне дефибрера.
К основным факторам, влияющим н а производительность дефибрера и качество древесной массы, относятся: удельное давление балансов на камень;температура и концентрация массы в ванне дефибрера при дефибрировании с погружением камня в массу; окружная скорость камня; состояние его поверхности и качество балансов.
ПРОИЗВОДСТВО РАФИНЕРНОЙ ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ
Метод производства древесной массы из щепы размолом ее в дисковых мельницах получил шйрокое распространение и в будущем ему предсказывается доминирующее положение. В настоящее время в мире вырабатывается более 4 млн. т древесной массы. Ежегодный прирост ее производства составляет 1,2— 1,4 млн. т, из них 90—95 % приходите^ не РДМ.
весной массы, обусловлено512 76^возможностью более полного исг*^3^5весной массы, обусловлено512 76^возможностью более полного исг*^3^5Рис. 21. Двухступенчатый способ производства ТММ:Л 6, 9, 13 — циклоны; 2 — бункер для щепы; 3, 7, ”, 14 — питатели; 4 — промыватель;5, 8 — пневмотранспортеры; /0 — пропарочная камера; 12 — дисковая мельница под давлением; 乃一дисковая мельница; %, 19, 23 — массные бассейны； /7, 20, 24 — насосы; 18 — сортировка; 21 — установка вихревой очистки массы; 22, 25 — вакуумные сгустителиРис. 21. Двухступенчатый способ производства ТММ:Л 6, 9, 13 — циклоны; 2 — бункер для щепы; 3, 7, ”, 14 — питатели; 4 — промыватель;5, 8 — пневмотранспортеры; /0 — пропарочная камера; 12 — дисковая мельница под давлением; 乃一дисковая мельница; %, 19, 23 — массные бассейны； /7, 20, 24 — насосы; 18 — сортировка; 21 — установка вихревой очистки массы; 22, 25 — вакуумные сгустителиПредпочтение, отдаваемое этому методу производства дре-
весной массы, обусловлено
512 76^
возможностью более полного исг
*^3^5
весной массы, обусловлено
512 76^
возможностью более полного исг
*^3^5
Рис. 21. Двухступенчатый способ производства ТММ:
Л 6, 9, 13 — циклоны; 2 — бункер для щепы; 3, 7, ”, 14 — питатели; 4 — промыватель;
5, 8 — пневмотранспортеры; /0 — пропарочная камера; 12 — дисковая мельница под давлением; 乃一дисковая мельница; %, 19, 23 — массные бассейны； /7, 20, 24 — насосы; 18 — сортировка; 21 — установка вихревой очистки массы; 22, 25 — вакуумные сгустители
Рис. 21. Двухступенчатый способ производства ТММ:
Л 6, 9, 13 — циклоны; 2 — бункер для щепы; 3, 7, ”, 14 — питатели; 4 — промыватель;
5, 8 — пневмотранспортеры; /0 — пропарочная камера; 12 — дисковая мельница под давлением; 乃一дисковая мельница; %, 19, 23 — массные бассейны； /7, 20, 24 — насосы; 18 — сортировка; 21 — установка вихревой очистки массы; 22, 25 — вакуумные сгустители
зования сырья всех древесных пород с вовлечением в производство низкокачественной древесины, дров, отходов лесопиления, лесозаготовок и т. п., т. е. сырья, которое не может быть переработано классическим дефибрерным методом. Древесная масса, вырабатываемая этим методом, по некоторым показателям более качественна, чем ДДМ. По аналогии с ДДМ в зависимости от метода предварительной обработки щепы перед размолом различают белую, химическую, термомеханическую (ТММ) и химикотермомеханическую (ХТММ) рафинерную древесную массу.
Производство термомеханической древесной массы. Характерной особенностью производства ТММ является пропарка щепы перед размолом. Размол пропаренной щепы может осуществляться в одну или две ступени. Технологическая схема производства ТММ, включающая две ступени размола (первая под повышенным давлением, вторая — под атмосферным), показана на рис. 21.
Щепа, привозная или приготовленная на предприятии, по ще- поводу через циклон поступает в силосный бункер, служащий для промежуточного запаса щепы. Далее через дозатор конвейером щепа подается на промыватель, где она освобождается от посторонних включений (металла, песка, камней). Промытая щепа воздуходувкой через циклон подается по пневмотранспортеру к дозатору и далее поступает в пропарочную камеру. Избыток щепы возвращается в силосный бункер. В камере при температуре 110—135 °C в течение 2—3 мин щепа пропаривается, а затем через питатель-дозатор подается на дисковую мельницу (рафинер) первой ступени размола, работающую под тем же давлением, что и пропарочная камера (или несколько большим). Далее через выдувной циклон масса направляется на рафинер второй ступени размола, откуда свободно выгружается в бассейн, где выдерживается в течение 20——30 мин. Разбавленная масса направляется на сортировки, в очистители, сгустители, отбельные башни и далее в емкость для хранения.
Для установок ТММ в СССР выпускаются однодисковые мельницы марок ДМ производительностью от 35 до 120 т/сут и сдвоенные дисковые мельницы марки МДС, производительностью до 240 т/сут. За рубежом ведущими фирмами-изготовителями рафинеров являются: «Дефибратор», 《Сунд» (Швеция), «Бауэр», «Белойт-Джонс», «Спроут-Вальдрон» (США) и «Юльхяваара» (Финляндия) [7].
Быстрый рост производства ТММ обусловлен очевидными преимуществами нового полуфабриката. Например, при выработке газетной бумаги с применением ТММ уменьшается расход целлюлозы. Кроме того, у ТММ выше прочность во влажном состоянии, чем у ДДМ, что является резервом для повышения скорости бумагоделательных машин или сокращения доли целлюлозы в композиции бумаги. Основные недостатки ТММ выражаются в большем расходе энергии, чем при выработке ДДМ (6500— 8000 МДж/т против 3400—4700 МДж/т) и меньшей белизне (на 4—5 %) •
Используется ТММ в производстве обычной и тонкой (36—— 44 г/м2) газетной бумаги, офсетной бумаги, бумаги-основы для мелования, гофрированного картона. Содержание ТММ в композиции может доходить до 100 % без снижения качества бумаги； При этом отмечается снижение количества обрывов бумажного полотна и увеличение эффективности использования бумагоделательных машин.
Производство химико-термомеханической древесной массы. Химико-термомеханический метод' получения волокнистых полуфабрикатов находит промышленное применение при использовании в качестве сырья лиственных и хвойных пород древесины. При этом стремятся получить такой волокнистый полуфабрикат, который по своим механическим показателям значительно превосходил бы ТММ и приближался к сульфитной целлюлозе при сохранении выхода 90 %, характерного для древесной массы.
Производство ХТММ, сочетанием химической и термомеханической обработки щепы с размолом, исключает недостатки производства ТММ — уменьшает степень потемнения массы в процессе пропарки и снижает расход энергии на размол. Этот метод позволяет получать наиболее длинноволокнистую древесную массу (сохраняет длину исходных волокон), что очень важно для производства древесной массы из коротковолокнистых (лиственных пород древесины).
Получение ХТММ является модифицированным методом производства ТММ, при котором щепа хвойных пород древесины предварительно пропитывается сульфитом натрия (расход 12 % массы древесины, pH 9—12), пропаривается при 135—170 °C и размалывается в рафинере. Снижение выхода ХТММ по сравнению с ТММ составляет менее 5 %. Размол щепы осуществляется на том же оборудовании, что и при получении ТММ.
В табл. 10 приведены показатели качества ДДМ, белой РДМ, ТММ и ХТММ из древесины хвойных пород при одинаковой степени помола.
ТАБЛИЦА 10
Показатели качества
ДДМ
Белая РДМ
ТММ
ХТММ *
Разрывная длина, м Сопротивление раздиранию,
2800 .3,43
3000
5,58
3800
7,35
5500—7500
7,85—9,81
МН-м2/г
Белизна, %
Содержание мелкой костры в иесортироваииой массе, %
64
61
2,5
60
1,2
55—69
0,1
Из табл. 10 видно, что ТММ и особенно ХТММ по показателям качества существенно превосходят ДДМ. В ближайшем будущем следует ожидать широкого применения в производстве бумаги и картона.
Глава 3
ПЕРЕРАБОТКА МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ
Понятие макулатуры и область применения макулатурной массы. Под м акул атурой понимают все виды бумажно-картонных изделий, утративших первоначальную ценность, и отходы их производства, пригодные для повторного получения волокнистой массы. Макулатура является крупным резервом вторичных волокон, используемых в качестве полноценного заменителя свежих волокнистых полуфабрикатов в производстве картона и бумаги.
Ресурсы макулатуры постоянно возрастают с увеличением производства и потребления бумаги и картона. Мировое потребление вторичного волокна составляет около 25 % всех волокнистых материалов, расходуемых на выработку бумаги и картона. Это составляет около 37 млн. т макулатуры в год.
Возврат макулатуры в СССР в настоящее время достиг 20—— 22 % массы вырабатываемой бумаги и картона и составляет более 2,1 млн. т в год. Исходя из технической возможности и экономической целесообразности, 80——90 % перерабатываемой макулатуры используют в производстве тароупаковочных видов картона и бумаги и промышленно-технических видов картона. В СССР макулатурные волокна входят в композицию более 40 видов картона и бумаги. За рубежом макулатура широко используется также для выработки санитарно-гигиенических и бытовых видов бумаги.
Технологические схемы переработки макулатуры. Качество макулатуры как сырья для картонно-бумажного производства определяется природой исходного волокна, числом циклов его переработки, однородностью макулатуры по композиционному составу, загрязненностью и засоренностью различными примесями и включениями. Сбор вторичного сырья проводится заготовительными организациями Главвторсырья, которые также производят предварительную его сортировку по видам, характеру и природе волокон на определенные сорта. Рассортированное и упакованное вторичное сырье направляется на картонные и бумажные фабрики для переработки.
На предприятия макулатура поступает в кипах. В технологический поток производства картона и бумаги она поступает в виде макулатурной массы ——водной волокнистой суспензии, получаемой переработкой макулатуры по определенным схемам. Подготовку макулатурной массы проводят по двум схемам ——при низкой (1,5——2 %) и высокой (3,5——4,5 %) концентрации. Первая схема более проста и включает: роспуск макулатуры на волокна, очистку волокнистой массы и размол; вторая ——роспуск макулатуры, очистку массы, рафинирование массы без укорочения волокон, сортировку, повторную очистку, размол. Вторая схема более сложна, зато обеспечивает получение макулатурной массы более высокого качества. Для использования макулатурной массы в производстве белой бумаги ее облагораживают.
Роспуск макулатуры представляет собой процесс разделения макулатуры на отдельные волокна без их повреждения. Осуществляется эта операция в гидроразбивателях ——аппаратах, обладающих простотой устройства и обслуживания, небольшим расходом энергии и высокой производительностью (от 15 до 850 т/сут). Гидроразбиватели отличаются конструктивными особенностями, производительностью и могут работать как периодически, так и непрерывно. Вертикальный гидроразбиватель состоит из металлической или железобетонной ванны цилиндрической формы, книзу переходящей во сферическое днище, снабженной ротором.
Ванну гидроразбивателя наполняют оборотной водой до определенного уровня, который поддерживается непрерывной подачей воды, и приводит в движение ротор. Макулатуру очищают от круп- ных посторонних включений ——веревок, проволоки, тряпок и т. и. Затем россыпью, а в больших аппаратах кипами вместе с предварительно разрезанной проволокой загружают в ванну. Ротор создает сложный вращательный гидродинамический режим движения содержимого ванны, благодаря чему макулатура размокает и разбивается на волокна. Готовая макулатурная масса через： отверстия подроторной плиты поступает в приемную коробку и из нее на очистку.
Для удаления из ванны крупных засорений перед пуском гидроразбивателя в работу в нее опускается проволочный канат, на конец которого под влиянием вращательного движения массы навиваются веревки, куски проволоки, тряпок и т. п. Образовав* шийся жгут непрерывно удаляется из массы лебедкой. Концентрация массы в гидроразбивателе непрерывного действия поддерживается в пределах 2—4,5 %, периодического — до 6 %.
Макулатурная масса после гидроразбивателя подвергается очистке от металлических включений на магнитных очистителях (удаляются скрепки, иголки, куски железа и другие металлические включения). Тяжелые примеси и сор удаляются в центробежных очистителях (циклона^) и вихревых очистителях (центри- клинерах). Очистка макулатурной массы чаще проводится на очистителях массы высокой концентрации (2——6 %) марки ОМ (принцип действия центриклинеров).
Содержащиеся в макулатурной массе неразработанные кусочки бумаги, картона и пучки волокон отделяют сортированием. На старых предприятиях применяются так называемые протирочные сортировки СМ (сортировки для макулатурной массы). В современных технологических схемах для сортировки макула- турной массы широко используют односитовые напорные сортировки типа СЦН. Производительность сортировок зависит от диаметра отверстий сит и концентрации массы и колеблется от 30 до 500 т/сут воздушносухого волокна. Отходы сортирования подвергают размолу, после чего сортируют. Хорошее волокно направляют в гидроразбиватель, а отходы ——в сток.
Макулатурная масса отличается большой неоднородностыо по степени помола волокон, поэтому при необходимости для выравнивания степени помола или доведения ее до определенной величины массу подвергают размолу. Размол макулатурной массы ничем не отличается от размола целлюлозы и выполняется на том же- оборудовании (см. раздел II).
Низкая белизна макулатурной массы, обусловленная главным образом типографской краской и естественным процессом старения, препятствует ее широкому использованию в композиции санитарно-гигиенических, писчих, печатных, тетрадных и других видов бумаги. Для возможности замены части дорогостоящей целлюлозы
в композиции этих бумаг макулатурной массой ее подвергают ^облагораживанию — обесцвечиванию и отбелке.
Технологическая схема обесцвечивания макулатуры представляет обычный процесс подготовки макулатурной массы с добавлением операций по отделению от волокна типографской краски и ее диспергированию, удалению диспергированной краски из волокнистой суспензии, отбелке макулатурной массы. Одновременно с этими операциями удаляются сажа, жиры, воски и загрязнения. Отделение печатной краски от волокна обычно совмещается с роспуском макулатуры и ее предварительной очисткой. Отделение краски от волокна осуществляется разрушением химической связи между краской и волокном сочетанием механических, химических и термических воздействий. Химико-механическая об* работка проводится в гидроразбивателях или бассейнах при температуре 40—60 ℃.
Основным химическим реагентом, отделяющим печатную краску, является едкий натр в сочетании с силикатом натрия Na2SiOa. Отделяемая краска диспергируется, и частицы ее поддерживаются во взвешенном состоянии при помощи поверхностноактивных веществ (ПАВ), например, марок ОП-7 и ОП-10. Для завершения процесса отделения краски массу после роспуска выдерживают в аккумул и рующих бассейнах в течение 1—2 ч. Удаление диспергированной краски из волокнистой массы осуществляют методами -флотации либо промывки. Наиболее широко распространен метод флотации; более эффективной его разновидностью является пенофлотация. Облагороженная масса используется вместо дефибрерной древесной массы в производстве суперкаландрированных и мелованных видов бумаги с пониженной массой. Содержание вторичного волокна в их композиции составляет 70——90 %.
При повышенных требованиях к белизне макулатурной массы ее отбеливают. Для этого используют перекиси натрия и водорода, совмещая отбелку с роспуском макулатуры. А при необходимости осуществляют дополнительную отбелку в отбельных башнях в две или три ступени по схемам X—Г или X—Щ—Г.
Экономическая эффективность и перспективы использования макулатурной массы. При оценке экономической эффективности использования макулатуры установлено, что себестоимость 1 т макулатурной массы ниже себестоимости 1 т небеленой целлюлозы на 37,5 %, 1 т полуцеллюлозы — на 10,7 %, 1 т древесной массы — на 13,7 %. Расчеты показывают, что приведенные затраты в производстве макулатурной массы в 2,2 раза меньше, чем в производстве целлюлозы, в 1,3 раза меньше, чем в производстве полуцеллюлозы. Применение 1 т макулатурной массы взамен полуцеллюлозы экономит 3,4 м3 древесины, а взамен древесной массы — 2,1 м3 древесины.
Однако, несмотря на высокую экономическую эффективность применения макулатуры, использование ее в производстве целлюлозно-бумажной продукции еще недостаточно. По данным Мос・ 90
гипробума, ресурсы макулатуры к 1985 г. должны составить 4560 тыс. т (36,4 % объема потребления бумаги, картона против 22 % в настоящее время), т. е. имеется значительный свободный остаток макулатуры, использование которого является важной народнохозяйственной задачей. Тенденция увеличения использования вторичного волокна сохранится и на период до 2000 г.
Раздел II
ТЕХНОЛОГИЯ БУМАГИ И КАРТОНА
Глава 4
ПРОИЗВОДСТВО БУМАГИ
КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА БУМАГИ
Бумагой и картоном называют материалы, изготовленные преимущественно из специально обработанных растительных волЪкон, связанных между собой силами поверхностного сцепления в листовую форму. В СССР листовые материалы \ имеющие меиьшую толщину и массу 1 м до 250 г, относят к бумаге, а материалы с большей толщиной и массой 1 м2 свыше 250 г — к картону [1, 13].
Изобретение бумаги относится к началу нашей эры, когда в Китае около 1900 лет тому назад возник ручной метод производства бумаги. Этот метод изготовления бумаги медленно распространялся в страны Ближнего Востока, Восточной и Центральной Азии, Египет, а из них в XVI в. в Европу.
Появление бумаги в России датируется XII—XIII столетиями. Первые бумажные мельницы 'появились в XVII веке. Технический переворот в бумажном производстве России произвела бумагоделательная машина, начавшая работать с 1816 г. в Петербурге. В 1916 г. в России уже действовало 55 целлюлозно- бумажных предприятий. Средняя ширина бумагоделательных машин ие достигала н 2 м, а их скорости не превышали 100 м/мин.
После Велнкой Октябрьской социалистической революции на всех этапах становления Советского государства На основе общегосударственных планов развития народного хозяйства развивалась и отечественная целлюлозно-бумажная промышленность. Сегодня целлюлозно-бумажная промышленность — современная неотъемлемая отрасль народного хозяйства СССР. Бумага — это учебники н тетради, книги, газеты и журналы, телеграфная лента и обои, географические карты н фотографические снимки, это деньги, документы, йоты, рисунки и чертежи, электроизоляция и фильтрующие материалы, картонная тара, оберточные и упаковочные материалы, это салфетки, полотенца, скатерти, бумажная посуда
и бумажная одежда. Этот далеко не полный перечень областей применения картонно-бумажной продукции убедительно подтверждает пророческие слова великого русского ученого Д. И. Менделеева о том, что современный период жизни людей можно считать веком бумаги.
Современные бумаго- и картоиоделательные машины отличаются большой производительностью, быстроходностью и высоким уровнем автоматизации. Ширина машин, например, для выработки газетной бумаги достигает 10 м, а скорость свыше 1000 м/мнн. Ожидается, что на машинах новейших конструкций скорость производства газетной бумаги достигнет 1500—1700 м/мин, санитарно- гигиенической бумаги 1800—2000 м/мин н картона 500600 м/мин. Производительность таких машин превысит 1000 т продукции в сутки. Для вывоза су； точной продукции только одной подобной машины требуется железнодорожный состав более чем из 60 вагонов [13].
Классификация бумаги. Все многообразие видов бумаги, выпускаемой в Советском Союзе, согласно ГОСТ 17586——80 подразделяется на десять классов.
Бумага для печати ——наиболее массовый вид бумаг, предназначенных для печатания различными методами издательской н изобразительной продукции (газетная, типографская, офсетная, для глубокой печати, иллюстрационная, картографическая, обложечная, этикеточная и др.).
Декор ативная — бумага, имеющая окрашенную гладкую,- .Sлн крепированную поверхность, нлн поверхность, имитирующую бархат, мрамор, кожу, полотно； это — аэрографная, бархатная, крепированная, мраморная и другие виды бумаг, применяемые для отделки книжных переплетов, оформления книжно-журнальной продукции.
Бумага для письма, машинописи, черчения и рисования—пнсчая, писчая цветная, тетрадная, почтовая, машинописная, ротаторная, копировальная, чертежная, бумага ватман, бумажная калька, прозрачная ч^)- тежная бумага, рисовальная и др.
Электротехническая бумага — электроизоляционная, телефонная, конденсаторная, кабельная, полупроводящая кабельная, микалентная и др. .5. Упаковочная н оберточная бумага — бумага для упаковки продуктов на автоматах, упаковочная бумага для "сахара, чая, фруктов, стеклянной тары, текстильной продукции, мешочная бумага, бумага для спичечных коробок, светонепроницаемая бумага для кинофотоматериалов, жиронепроницаемая упаковочная бумага, оберточная, растительный пергамент, пергамин, подпергамент и др.
Светочувствительная бумага — светочувствительна я, диапозитивная светочувствительная и фотографическая бумага, бумажная диапозитивная светочувствительная калька.
Бумага для изготовления папирос и сигарет ——курительная, мундштучная, папиросная и сигаретная.
Впитывающая бумага — впитывающая бумага для хроматографии, промокательная, фильтровальная различного назначения.
П р о м ы ш л е н н о - те х н и ч е ск а я бумага разного назначения для ртутно-цинковых элементов, *химических источников тока, каландровая бумага, патронная, шпагатная, водорастворимая, перфокарточная, термореактивная, теплочувствнтельная, для электрографии, гуммированная бумага для переводных изображений и др.
Бумага-основа ——к ней относятся бумаги, используемые в качестве основы для производства многих видов бумаг, бумажных изделий и фибры путем соответствующих обработок, пропиток н покрытий (бумага-основа, основа мелованной, термореактивной, копировальной, парафинированной, пергамента, фотобумаги, фотокалькн, абразивной; основа для переводной фольги, облицовочного материала, упаковочной для молочных продуктов, гигиенических салфеток, клеевой ленты, склеенного картона и др.
Из приведенной классификации видно, что ассортимент бумаги очень обширен. Бумаги, относящиеся к 1, 5, 9 и 10-му классам, являются массовыми видами. В настоящее время в мире пронзво днтся свыше 640 видов бумаги и картона. Каждый вид бумаги обладает определенными свойствам氏 обусловливающими его потребительскую ценность. Свойства бумаги характеризуются многими различными показателями качества, номенклатура и величина которых для каждого вида бумаги нормируются ГОСТ и ТУ. Соответствие данного вида бумаги нормам, закрепленным ГОСТ или ТУ, устанавливается испытаниями качества бумаги.
Следует четко разграничивать понятия вид и сорт бумаги. Принадлежность бумаги к тому или иному виду определяется совокупностью свойств, обеспечивающих возможность ее применения для конкретных целей. Сорт обычно определяет качество одного и того же вида бумаги. Например, газетная бумага ——это вид бумаги для печатания газет, но по качеству она может быть 1-го и 2-го сортов.
Свойства бумаги и их связь со свойствами волокнистых полуфабрикатов. Все волокнистые материалы различного происхождения, известные на сегодняшний день, могут служить полуфабрикатом для производства бумаги и картона. Однако основную массу волокнистых полуфабрикатов бумажно-картонного производства составляют растительные волокна: волокна древесины в виде различной древесной массы, целлюлозы и полуцеллюлозы; волокна макулатуры в виде макулатурной массы; волокна тростника и со- ломы в виде тростниковой и соломенной целлюлозы и полуцеллю- лозы; волокна тряпья в виде тряпичной полумассы. Для придания некоторых специальных свойств бумаге и картону нашли также применение животные (шерстяные), минеральные (асбестовые, базальтовые, стеклянные) и синтетические (лавсан, нитрон, капрон, поливинильные, полиэтиленовые, полиэфирные и др.) волокна.
Возможности изготовления широкого ассортимента бумажнокартонной продукции с приданием ей того или иного свойства н〃н сочетания нескольких свойств появились в связи с успехами, достигнутыми при разработке научных основ технологии бумажное производства. По современным воззрениям бумага как физи- деское тело представляется капиллярно-пористым коллоидным материалом, и с этой точки зрения множество разнообразных свойств бумаги легче всего поддаются объяснению.
К числу основных показателей, характеризующих свойства различных видов бумаги, относятся: толщина, или объемная масса; зольность; степень проклейки; гладкость; белизна; прозрачность- сопротивление разрыву, излому, продавливанию, раздиранию; удлинение до разрыва; прочность поверхности; влагопрочность; деформация при намокании; скручиваемость; впитывающая способ- ность； воздухопроницаемость; показатели электрической прочности.
Для достижения тех или иных необходимых свойств бумаги (картона) пользуются следующими методами:
подбором исходных волокнистых полуфабрикатов, т. е. составлением композиции бумаги и картона по виду и происхождению волокон;
изменением технологических режимов одного или нескольких основных процессов бумажного производства (массного размола, отлива, сушки);
введением в бумажную массу различных добавок (минеральных наполнителей, красителей, дефлокулянтов, проклеивающих и других веществ);
отделкой бумаги или картона, включая операции каландрирования, крепирования, гофрирования, тиснения, армирования, покрытия, синтетическими пленками и др.;
обработкой поверхности бумаги или картона химикатами (поверхностная проклейка, пропитка различными составами, окраска, мелование, пластификация, лакирование, обработка минеральными реагентами).
В бумажно-картоином производстве часто одни и те же свой-- ства изготовляемой продукции можно придать различными методами, поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать наиболее простой, экономичный и наиболее удобный метод.
Композицией бумаги или картона называется совокупность волокнистых, наполняющих, проклеивающих, красящих и других веществ, из которых производится бумага или картон данного вида. Композиция каждого вида бумаги (картона) определена ГОСТом.
-Бумагообразующие свойства нельзя охарактеризовать однозначно каким-либо показателем. По отношению к процессу размола, например, бумагообразующие свойства волокон характеризуются склонностью мх к укорочению или фибриллированию, скоростью достижения требуемой степени помола. По отношению к процессу отлива бумажного листа важным является способность волокнистой массы быстро или медленно обезвоживаться на сетке, а для обеспечения безобрывной работы бумагоделательной машины существенное значение имеет влагопрочность полотна при его сухости 20 %. Таким образом, именно бумагообразующие свойства исходных волокнистых материалов в основном определяют свойства готовой бумаги: механическую прочность, оптические свойства, впитывающую способность, электроизоляционные и дру、 гие свойства, специфические для того или иного вида бумаги.
Бумагообразующие свойства волокнистых пол уф а бр и ка тов главным образом зависят: от природы волокон (растительные, животного происхождения, минеральные, синтетические); вида волокон (целлюлоза, ЦВВ, полуцеллюлоза, древесная масса, макулатурная масса); метода получения волокон; химического состава волокон, их структуры и состояния поверхности клеточных стенок.
Волокна сульфатной целлюлозы, как правило, придают бумаге более высокие показатели механической прочности. Они обладают более высокими показателями диэлектрических свойств. Добавка сульфатной целлюлозы в композицию бумаги повышает ее прочность во влажном состоянии. Волокна сульфатной целлюлозы более гибкие, на их поверхности меньше микротрещин, они труднее размалываются, меньше укорачиваются при размоле, чем сульфитные. Расход энергии на размол сульфатной целлюлозы больше.
Поэтбму сульфатная целлюлоза успешно используется для изготовления бумаг, обладающих высокой прочностью (упаковочных и оберточных электротехнических бумаг, бумаг-основ), и в композиции других видов бумаг для повышения механических показателей {13].
Сульфитная целлюлоза по сравнению с сульфатной отличается большей молекулярной неоднородностью, наличием множества микротрещин на поверхности волокон, меньшим содержанием гемицеллюлоз, что снижает механическую прочность, долговечность и термостойкость изготовленной из нее бумаги. Волокна сульфитной целлюлозы легче размалываются и больше укорачиваются при размоле. Применяется сульфитная целлюлоза при выработке бумаг, обладающих большей пухлостью, пористостью/ мягкостью, впитывающей способностью (бумаги для печати, писчих, санитарно-гигиенических и др.).
” Бисульфитная целлюлоза и ЦВВ из хвойных пород древесины по механической прочности приближается к сульфатной крафт- целлюлозе. По показателям белизны, склонности к старению и непрозрачности бисульфитная целлюлоза уступает сульфитной. Используется бисульфитная целлюлоза для производства писчих бумаг, бумаги для печати, газетной, упаковочной, мешочной, обойной и других видов бумаги.
В последнее десятилетие значительно расширилось применение лиственных волокнистых полуфабрикатов в производстве бумаги и картона. Ожидается, что доля волокон из лиственных пород древесины в общем балансе волокнистых полуфабрикатов будет неуклонно расти. Основной недостаток лиственной целлюлозы, ограничивающий ее применение, — это короткие волокна, не обеспечивающие необходимой прочности бумажному листу. Однако, как выяснилось, при введении этой целлюлозы в композицию бумаги улучшаются многие ее печатные свойства. Короткие волокна лиственной целлюлозы заполняют промежутки между более длинными волокнами хвойной целлюлозы, благодаря чему повышается однородность бумаги, она приобретает более ровный просвет, увеличивается гладкость ее поверхности и непрозрачность бумаги, повышается удержание наполнителей. Широкое ее применение возможно для производства различных видов' бумаги для печати, писчих и впитывающих бумаг, а также различных видов картонов. Содержание лиственной целлюлозы в композиции бумаги (картона) может достигать 15—60 %.
Волокна дефибрерной и рафинерной белой древесной массы преимущественно используются в композиции с целлюлозой для производства газетной бумаги, а также находят применение в композиции печатных, писчих, обойной и других видов бумаги и картона. Термомеханическая и химико-термомеханическая древесные массы, благодаря большой гибкости, эластичности и механической прочности.волокон приближающиеся к сульфитной целлюлозе, находят все более широкое применение в производстве газетной, печатной, писчей и многих других видов бумаги и картона. Прй-
чем содержание этих видов древесной массы в композиции может достигать 70——100 %. Применение древесной массы в производстве бумаги и картона существенно снижает их стоимость.
ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУМАЖНОЙ МАССЫ
Технологическая схема производства бумаги (картона) состоит из следующих процессов: приготовления бумажной массы, включающего операции по массному размолу волокон, проклейке, наполнению и крашению массы; аккумулирования бумажной массы; разбавления массы водой до необходимой концентрации; очистки от посторонних включений и узелков; изготовления бумаги (картона) на бумагоделательной (картоноделательной) машине, включающего отлив бумажного (картонного) листа, его прессование, сушку, отделку и намотку в рулон; отделки и переработки бумаги (картона), включающих суперкаландрирование, перемотку, резку и упаковку [1].
Массный размол волокнистых полуфабрикатов. Размолом называется процесс специальной механической обработки растительных волокон в присутствии воды, выполняемый в размалывающих машинах — мельницах. Размол является одним • из важнейших процессов бумажного производства, позволяющих в широком интервале значений изменять многие свойства бумаги. Производится размол волокон в машинах непрерывного действия (в конических, цилиндрических и дисковых мельницах). Общим для размалывающих аппаратов является то, что работа их основана на принципе скрещивающихся ножей и трущихся поверхностей.
Проходя между ножами размалывающих машин, волокна подвергаются воздействию механических и гидродинамических еил, приводящему к протеканию сложных физико-химических и коллоидных процессов в структуре волокон. В результате предсходят некоторое укорочение волокон (рубка), поверхностное расщепление и расчесывание в продольном направлении фибриллярной структуры клеточной стенки на фибриллы (поверхностное фибриллирование), набухание и гидратация волокон. Волокна становятся более мягкими, повышается их эластичность и пластичность. В процессе фибриллирования ослабляются и разрушаются связи между отдельными фибриллами клеточной стенки волокон. На поверхности фибрилл образуется «начес» тонкого пухообразного материала, состоящего из целлюлозных молекул. В результате увеличивается удельная поверхность волокон и число свободных гидроксильных групп, способствующих лучшему контакту и соединению отдельных волокон в бумажный лист. Увеличение удельной поверхности волокон и высвобождение гидроксильных групп повышает способность волокон удерживать воду.
В зависимости от режима размола можно получать бумажную массу различной степени помола: от низкой (садкая масса) до
высокой (жирная масса). Для получения садкой массы размол ведут в режиме, обеспечивающем преимущественно рубку волокон над ^поверхностным фибриллированием. В процессе формования листа бумаги масса низкой степени помола (садкая) быстро оседает на сетке, легко обезвоживается и образует рыхлую и пористую структуру листа. Для высокой степени помола массы (жирная масса) характерно преобладание фибриллированных волокон с хорошо разработанной поверхностью, которые труднее обезвоживаются на сетке бумагоделательной машины и образуют плотную, сомкнутую и прочную структуру листа. Характер помола массы выбирают в зависимости от вида и качества вырабатываемой бумаги и картона.
Прочность бумаги характеризуется рядом показателей: сопротивлением разрыву, излому, продавливанию, надрыву и раздиранию, для каждого вида и сорта бумаги имеющим определенное значение, и в общем зависит от прочности волокон, их длины, прочности связи между волокнами и структуры бумажного листа.
Абсолютные значения прочности на разрыв различных видов растительных волокон не уступают прочности железа, чугуна и стали. Так, волокна хлопка выдерживают усилие до 412 МПа, льна ——до 745, хвойной сульфатной целлюлозы ——до 520; абсолютная прочность на разрыв чугуна составляет 314 МПа, железа —до 392 МПа и различных видов стали от 490 до 1961 МПа. Почему же лист бумаги, изготовленный из растительных волокон, по прочности значительно уступает прочности металлов и почему прочность листа.бумаги намного ниже прочности тех волокон, из которых он Изготовлен? '
Лист бумаги при испытании разрывается по наиболее слабому месту. Этим слабым местом в большинстве случаев являются не сами волокна, а связи между ними. При разрыве листа по обе стороны в месте разрыва наблюдается преимущественное вытаскивание волокон из толщи листа, что указывает на разрыв связи между ними. И только часть волокон рвется в поперечном направлении.
Согласно выдвинутым теориям силы, связывающие волокна в листе бумаги, имеют физико-химическую и электростатическую природу и возникают между свободными поверхностными гидрок- сильными группами целлюлозных волокон при их взаимном сближении. Известная роль отводится также силам трения. Механизм образования сил связи, объединяющих волокна в бумажный лист, сложен. Предпочтительнее выглядит теория водородной связи: в период формования структуры бумажного листа в процессе обезвоживания волокнистой суспензии происходит' сближение и уплот- неняе волокон между собой. При определенной сухости бумаж- ного листа вначале возникает менее прочная связь между волокнами через водяные мостики (рис. 22,6), которая определяет прочность бумажного листа в мокром состоянии и обеспечивает возможность передачи мокрого полотна из сеточной части машины в прессовую. Затем в процессе прессования по мере дальнейшего
7 Заказ № 56
обезвоживания и сближения волокон наряду с водяными мостиками возникают мостиковые связи через атомы водорода- (рис. 22, а) —водородные связи, завершение образования которых происходит в процессе сушки при сближении волокон на расстояние 0,255——0,275 нм. Водородная связь достаточно прочна, она является основной силой сцепления волокон между собой в бумажном и картонном листе.
Исходя из вышеизложенной теории, легко объяснить влияние степени помола на прочность бумаги. Чем выше степень помола.
-но ,но--но но--но НО-но но--но но--но ,но--но но--но НО-но но--но но-kH0№0LH0hH0hH0^°kH0№0LH0hH0hH0^°Степень помола ШРСтепень помола ШРРис. 22. Схема водородных сил связи между волокнами:,а — водородные； 6 — через Водяные мостикиgРис. 22. Схема водородных сил связи между волокнами:,а — водородные； 6 — через Водяные мостикиgН WSEDOWOU зп 工~JDH6 &о 工qssuJngH-。Н WSEDOWOU зп 工~JDH6 &о 工qssuJngH-。
-но ,но-
-но но-
-но НО
-но но-
-но но-
-но ,но-
-но но-
-но НО
-но но-
-но но-
kH0№0LH0hH0hH0^°
kH0№0LH0hH0hH0^°
Степень помола ШР
Степень помола ШР
Рис. 22. Схема водородных сил связи между волокнами:,
а — водородные； 6 — через Водяные мостикиg
Рис. 22. Схема водородных сил связи между волокнами:,
а — водородные； 6 — через Водяные мостикиg
Н WSEDOWOU зп 工~JDH6 &о 工qssuJngH-。
Н WSEDOWOU зп 工~JDH6 &о 工qssuJngH-。
Рис. 23. Изменение основных свойств бумаги в зависимости от степени помоламассы；
/ — разрывная длина; 2 — сопротивление излому； 5 — сопротивление раздиранию; 4 — средняя длина волокон； 5 — сила связи между Ьолокнами； 6 — впитывающая способность; 7 — воздухопроницаемость; 6 — деформация при намокании; 9 — объемная масса
тем больше образуется на поверхности волокон свободных гидроксилов и тем прочнее связь между волокнами и наоборот. Однако' следует иметь в виду, что, повышая степень помола, мы снижаем толщину волокон (разрушаем их структуру) и тем самым снижаем прочность самих волокон. Поэтому повышение прочности бумаги увеличением степени помола можно достигать только до определенной границы, далее которой будет превалировать снижение прочности бумаги за счет потери прочности и укорочения самих волокон.
Влияние длины волокон на прочность бумаги также связано с водородными силами. С одной стороны, чем длиннее йолокна, п^и прочих равных условиях, тем больше водородных связей будет участвовать в сцеплении волокон между собой и тем прочнее будет бумага. С другой стороны, слишком длинноволокнистая
масса вызывает хлопьеобразование и ухудшение некоторых печат- ных\ свойств. Поэтому для каждого вида бумаги выбирается определенный режим размола, обеспечивающий необходимую длину и фибриллирование волокон.
Кроме водородных сил связи, в бумаге существуют днсто механические силы, обусловленные переплетением волокон и их шероховатостью. Чем плотнее структура, чем лучше прилегают волокна друг к другу, тем более прочным является бумажный лист. Изменение основных свойств бумаги в зависимости от степени помола массы показано на рис. 23.
Основными факторами, влияющими на качество помола целлюлозы, являются: продолжительность размола, удельное давление между ножами мельниц, концентрация массы, тип размалывающей гарнитуры, окружная скорость ротора или барабана, температура массы при размоле. К управляемым факторам относятся продолжительность, удельное давление, концентрация и температура массы. ,
Для размола волокнистых полуфабрикатов на предприятиях, вырабатывающих массовые виды бумаги и имеющих большую производительность, применяются дисковые мельницы (см. § 7). Массный размол проводится в однодисковых и сдвоенных мельницах с закрытой камерой, которые обеспечивают производительность до 650 т/сут.
Широкое применение дисковых мельниц обусловлено быстрым развитием производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода. Они вытесняют другие виды размалывающего оборудования (конические мельницы, роллы) благодаря следующим преимуществам: возможности размола при высокой концентрации массы (до 40 %); более низкому удельному расходу энергии; большой единичной мощности и производительности, компактности, простоте конструкции; более широкой области применения (размол целлюлозы, полуфабрикатов высокого выхода, древесной щепы, отходов сортирования древесномассного и целлюлозного производств) ;возможности получения более однородной по структуре массы. ь
До недавнего времени основным размалывающим оборудованием при непрерывном процессе размола волокнистых полуфабрикатов были конические мельницы. В последнее время интерес к ним значительно уменьшился. Практически во всех новых мощных технологических потоках устанавливаются только дисковые мельницы. Однако конические мельницы еще широко используются на действующих предприятиях и находят применение в потоках небольшой производительности (2——30 т/сут).
Основные рабочие элементы мельницы — статор (корпус) и ротор — выполнены в виде конусов. Внутреннюю поверхность статора и внешнюю поверхность ротора образуют сменные ножевые рубашки. Зазор между ножами статора и ротора регулируется перемещением (присадкой или вылегчиванием) ротора вдоль его оси при помощи присадочного механизма. При работе мельницы
движение массы осуществляется в направлении от малого диаметра ротора к большему. Производительность мельницы по воздушносухому волокну 4——16 т/сут, частота вращения ротора 1000 мин-1, площадь поверхности соприкосновения гарнитуры ротора и статора 0,40 м2.
Проклейка. Назначение проклейки ——придание бумаге или картону ограниченных впитывающих свойств по отношению к воде, чернилам, типографской краске и другим жидкостям и улучшение многих других физико-механических свойств. При неограниченном впитывании (у неклееной бумаги), например, чернил, они будут впитываться в толщу листа бумаги, расходиться и проходить на его обратную сторону. Полное отсутствие впитывающих свойств будет вызывать стекание чернил с поверхности бумаги. Первое и второе явление делают бумагу непригодной для письма и печати. Поэтому процесс проклейки призван обеспечивать для каждого
конкретного вида бумаги и картона свою строго определенную
впитывающую способность, которая оценивается степенью проклейки [2].
Различают поверхностную проклейку и проклейку в массе. Поверхностную проклейку осуществляют нанесением крахмального или животного клея на поверхность готовой бумаги. Применяется она для производства некоторых специальных высокосортных видов бумаги ——документной, чертежной, картографической и др. Подавляющее большинство видов бумаги и картона проклеивается введением проклеивающих веществ в бумажную массу перед отливом бумажного листа, т. е. проклеивается в массе. Для проклейки в массе применяют гидрофобные (водоотталкивающие) вещества, а процесс проклейки все чаще называют гидрофобизацией бумаги или картона. Основным гидро- фобизующим веществом является канифоль, выделяемая из смолы хвойных древесных пород. Канифольная или смоляная проклейка бумаги была изобретена в 1807 г. Иллигом [1].
Для гидрофобизации бумаги и картона имеется большой выбор гидрофобных веществ, среди которых наиболее широкое применение нашли: различные виды канифоли (живичная, экстракционная и талловая, а также их модификации ——талловая модифицированная ТМ и экстракционная модифицированная осветленная ЭМО); укрепленные клеи на основе перечисленных канифолей; нефтеполимерные смолы (НПС); парафин; талловый пек; нефтяные остатки и др.
Все виды канифоли представляют собой твердые хрупкие вещества от светло-желтого до темно-коричневого цвета с температурой размягчения 60——80 °C, нерастворимые в воде. С химической точки зрения канифоль представляет собой смесь изомерных смоляных органических кислот состава С】9H29coОН, основным компонентом которой является абиетиновая кислота.
Канифольный клей получают в клееварочных котлах (варка
клея) обработкой канифоли водными растворами щелочей: едкого натра или кальцинированной соды при температуре 95——105 ℃. j
При варке происходит нейтрализация (омыление) кислот кани- фолй щелочью с образованием растворимого в воде смолянокислого натрия: С19Н29coОН + NaOH fCi9H29coONa + Н2О. В зависимости от количества щелочи, взятой на омыление канифоли, можно получить бурый или белый клей. Для приготовления бурого клея берут такое количество щелочи, чтобы можно было полностью нейтрализовать канифольные кислоты. Сваренный клей легко разводится водой с образованием коллоидного раствора бурого цвета. Концентрацию клея в растворе доводят до 20——40 г/л и применяют для проклейки. Если для варки клея взять щелочи меньше, чем необходимо на омыление всех кислот, то часть канифоли остается в свободном виде (свободная смола). При разведении в воде такого клея, получается дисперсия белого цвета, получившая название белый клей. Содержание свободной смолы в белом клее может достигать 20——40 %. При более высоком содержании свободной смолы клеи относятся к высокосмоляным и для стабилизации требуют добавки химических диспергаторов. Белый клей разводят водой до концентрации 18——20 г/л и применяют для проклейки.
В настоящее время в СССР для проклейки бумаги готовят в основном бурый и белый клей с содержанием свободной смолы до 20 % на основе обычных и модифицированных канифолей ТМ и ЭМО. Для проклейки картона также широко используются низшие сорта канифоли и талловый пек. Проклейку древесноволокнистых плит осуществляют нефтяными остатками и парафином. Широкое распространение получили композиционные клеи, представляющие собой смесь двух или нескольких гидрофобизующих веществ, например канифольно-парафиновый клей на основе ЭМО и ТМ канифолей с содержанием парафина от 5 до 20 %. Такой клей успешно используется в течение ряда лет на многих предприятиях. Наряду с сокращением расхода клея на проклейку композиционные клеи обеспечивают улучшение некоторых печатных свойств бумаги (снижение деформации в поперечном направлении и др.).
На многие предприятия проклеивающие вещества поступают в виде готового клея ——клея-пасты (это сваренный клей, но еще не разведенный водой). После разбавления водой до требуемой концентрации он готов к применению. Это исключает необходимость иметь на предприятии клееварочное отделение, и, что важнее, клей всегда получается стабильным и высококачественным. В перспективе планируется все предприятия перевести на использование клея-пасты, поставляемого централизованно с нескольких клееварочных заводов [2].
Все виды канифольных клеев готовятся по аналогичным схемам, отличающимся только режимами в зависимости от видов канифоли и щелочи. Типовая схема приготовления клея заключается в следующем. В клееварочный котел, снабженный паровой Рубашкой и мешалкой, заливают определенный объем воды, загружают соду (щелочь), включают мешалку и, подогревая с одер-
жимое до 70——80 ℃, растворяют соду. Затем в котел небольшими порциями загружают раздробленную канифоль (смесь канифолей> парафин). После расплавления канифоли температуру в котле поднимают до 95—105 ℃ и проводят варку. Варка модифицированных видов канифоли завершается в течение 1——1,5 ч. После окончания варки готовый клей через фильтр, задерживающий кусочки бумаги и другие крупные частицы, перепускают в промежуточную емкость. Сваренный клей разводят водой в горячем виде при помощи диспергаторов (инжектора или роторно-пульсационного аппарата), назначение которых раздробить, измельчить клей на частички и распределить их равномерно в воде (этот процесс называется эмульгированием). Клей с температурой 70——75 ℃ поступает к инжектору, куда подводятся пар под давлением 0,5—— 0,8 МПа и горячая вода температурой 40——60 ℃. Пар, захватывая клей и воду, диспергирует его в воде и дисперсия клея поступает в бассейн, куда предварительно набирается некоторый объем холодной воды. После завершения процесса диспергирования клей хорошо перемешивается, доводится холодной водой до концентрации 20—25 г/л и поступает в один из баков готового клея, откуда йодается в производство. Готовый к применению канифольный клей представляет собой коллоидный раствор ——раствор частиц, клея микроскопических размеров (от 0,3 до 2,5 мкм), равномерно распределенных в объеме воды.
Механизм придания гидрофобных свойств бумаге и картону канифольным клеем очень сложен и в упрощенном виде представляется следующим образом: канифольный клей вводится в волокнистую суспензию бумажной массы, и масса хорошо перемешивается для равномерного распределения частичек клея между волокнами; следующим этапом является осаждение и закрепление частичек смолы на волокнах, что выполняется при помощи коагулянтов—сульфата алюминия A12(SO4)3, глинозема или квасцов. Осаждение и закрепление частиц происходит при pH равном 4,5——5, создаваемом добавлением коагулянта. Процесс проклейки : завершается в сушильной части бумагоделательной машины. При ; сушке из осажденных частичек смоляного клея удаляется вода, они спекаются и приобретают водоотталкивающие свойства. В готовом листе бумаги эти частички и являются теми гидрофобными преградами, которые ограничивают проникновение воды в толщу листа и ее растекание по поверхности; чем больше таких гидрофобных преград содержится на целлюлозных волокнах, тем выше проклейка бумаги, и наоборот [1].
Расход проклеивающих материалов зависит от требуемой степени проклейки. При выработке сильноклееных видов бумаги расход канифоли составляет от 1,5 до 3,5 %, слабо клееных — от 0,5 до 1 % массы волокна. Расход сульфата алюминия обычно принимают в 2—2,5 раза больше расхода канифоли..
Контроль качества проклейки бумаги осуществляют по пока-' зателю степень проклейки, который определяют многими методами. В СССР наиболее, распространен штриховой метод, заклю-:
чающийся в нанесении на бумагу стандартными чернилами с помощью рейсфедера линий различной толщины, мм: 0,25; 0,5; 0,75; ...; 2. За степень проклейки принимается наиболее широкая линия после высыхания чернил, при которой чернила не расплылись и не прошли на обратную сторону. Степень проклейки бумаги нормируется ГОСТом. Например, писчая бумага № 1, тетрадная № 1 и 2 должны иметь проклейку не менее 1,25 мм, писчая № 2 и 3 ——не менее 1 мм, типографская № 1, 2 и 3 ——не менее 0,25 мм.
Наполнение. Под наполнением бумага понимают введение в композицию бумаги минеральных веществ-наполнителей для улучшения ее качества и экономических показателей. Введением наполнителей в композицию бумаги достигаются следующие цели: снижается себестоимость производства бумаги, так как стоимость наполнителя ниже стоимости волокон, часть которых заменяется' наполнителем; повышается белизна бумаги, поскольку почти все наполнители имеют более высокую степень белизны, чем волокна; существенно увеличивается гладкость поверхности бумаги за счет заполнения частичками наполнителя пор и неровностей между волокнами на шероховатой поверхности листа; уменьшается непрозрачность бумаги, что дает возможность писать и печатать с обеих сторон листа; улучшается равномерность просвета; увеличивается мягкость и пластичность — бумага меньше «шумит» при перелистывании; снижается объемная масса, пористость и, следовательно, впитываемость ^типографских красок и т. п.
О содержании наполнителя в бумаге судят по показателю зольности бумаги, который определяют по массе прокаленного остатка после сжигания навески бумаги и выражают в % к массе бумаги. Зольность бумаге придает в основном наполнитель, так как естественная зольность волокон менее 1 %.
По зольности бумагу делят на четыре группы:
бумага с естественной зольностью ——фильтровальная, электроизоляционная, основа для фибры и пергамента, жиронепроницаемая; наполнители не вводятся;
бумага малозольная (с зольностью до 5 %)—газетная, мундштучная, обойная и др.; в этих видах бумаги важно сохранить механическую прочность, поэтому повышение содержания наполнителей, существенно снижающих механические показатели бумаги, нецелесообразно; '
бумага средней зольности ——писчая с зольностью до 6——8 %, некоторые виды бумаги для печати с зольностью до 15%; в эти виды бумаги наполнитель вводится в ограниченных количествах;
бумага высокозольная (зольность свыше 15 %)—это типографская, для глубокой печати и др.; для этих бумаг важно иметь хорошие печатные свойства и высокую непрозрачность, поэтому содержание наполнителя в них большое.
Общим недостатком введения наполнителей является заметное снижение механической прочности и степени проклейки бумаги. Кроме того, с увеличением содержания наполнителей в большей степени обнаруживается пылимость бумаги ——явление отделения от поверхности бумаги мелких волокон, частиц наполнителя, про-
клеивающих веществ. Этот эффект резко ухудшает качество печати ——бумажная пыль прилипает к печатной форме, забивает набор и клише.
Для наполнения бумаги чаще всего применяют каолин, реже тальк, мел, гипс, двуокись титана. К а о л и н, или белая глина, это силикат алюминия белого цвета (белизна 77——87 %). В бумажную массу каелин вводят в виде водной суспензии, которую готовят разведением каолина водой в специальных мешалках. Каолиновую суспензию очищают от легких примесей во вращающихся ситовых барабанах и других очистных устройствах. Готовую каолиновую суспензию при концентрации 150——200 г/л хранят в бассейнах при постоянном перемешивании. Расход каолина составляет от 60 до 475 кг на 1 т бумаги. Тальк ——это минерал пластинчато-чешуйчатого строения, благодаря чему хорошо удерживается в бумаге. Он придает бумаге гладкость и мягкость, меньше снижает прочность бумаги и степень проклейки. Тальк как наполнитель применяется в значительно меньших количествах^ чем каолин. Гипс, мел, двуокись титана и другие наполнители применяют только при выработке некоторых видов бумаги специального назначения.
Введение суспензии наполнителя в размолотую бумажную массу производится непрерывно при помощи дозаторов. При наполнении бумаги большое значение приобретает вопрос об удер* жании в ней наполнителей. Как по экономическим, так и по технологическим соображениям желательно всегда обеспечить максимальную удерживаемость наполнителей в бумаге. Дело в том, что в процессе обезвоживания и формования бумажного полотна значительная часть вводимых минеральных частиц вымывается и удаляется с водой. Эта часть обычно составляет 40——50 % массы введенного наполнителя.
Механизм удержания наполнителей в бумаге очень сложен и включает в себя механические и коллоидно-химические процессы. На удержание наполнителей влияют многие факторы. Так, в бумаге, изготовленной из массы жирного помола, удержание наполнителей выше, чём в бумаге из массы садкого помола. На удержание наполнителей большое влияние оказывает pH волокнистой суспензии, которая регулируется добавлением коагулянтов клея. Оптимальным считается pH около 5. Удержание наполнителя во многом зависит от степени использования оборотной воды на бумажной фабрике. Чем полнее используется оборотная вода, тем выше удержание наполнителя и меньше его промой.
В производстве клееной бумаги большое влияние на удержание наполнителей и степень проклейки бумаги оказывает последовательность введения в бумажную массу наполнителя, проклеивающего вещества и сернокислого алюминия. Наибольшее удержание наполнителя обнаруживается в случае введения его первым, а наилучшие результаты проклейки оказываются в той бумаге, где наполнитель был введен последним. Поэтому при выработке высокозольных бумаг рекомендуется перечисленные ком- 104
поненты вводить в последовательности: наполнитель ——клей ——сернокислый алюминий, а при выработке сильноклееных бумаг: клей — сернокислый алюминий — наполнитель.
Для повышения удержания наполнителей в бумажную массу непосредственно перед. бумагоделательной машиной вводят вещества, вызывающие хлопьеобразование: животный клей, активированный силикат, полиэтиленимин (ПЭИ) и полиакриламид (ПАА). Наиболее часто применяют ПЭИ и ПАА, представляющие собой синтетические полимеры — длинные макромолекулы, связывающие частички наполнителя между собой в агрегаты (флокулы). Кроме того, эти полимеры повышают удержание мелких волокон, улучшают структуру листа бумаги и повышают его механическую прочность. Применение специальных добавок позволяет повышать удержание наполнителей до 70—85 %.
Крашение и подцветка. С целью придания бумаге приятных эстетических свойств многие ее виды производят цветными, например： афишную, обложечную, писчую цветную, бумагу для спичечных коробков, конвертную, салфеточную, упаковочные виды и др. Различают крашение бумаги и подцветку. В процессе крашения бумаге придается необходимый цвет, а при подцветке —— определенный цветовой оттенок, для чего в бумажную массу перед изготовлением бумаги вводят соответствующие красители. Крашение бумаги является сложным процессом, так как окраске подвергается бумажная масса, в большинстве случаев состоящая из нескольких разнохарактерных волокнистых, наполняющих и проклеивающих частиц, которые имеют различную восприимчивость к одному и тому же красителю; поэтому для получения качественно окрашенной бумаги очень важно правильно подобрать краситель.
В бумажной промышленности нашли применение в основном красители органического происхождения: основные, кислотные, прямые, а также некоторые минеральные пигменты. Применяемые красители имеют много различных цветов и оттенков и обладают высокой красящей способностью.
Крашение и подцветка отличаются количеством задаваемого красителя. Расход красителей для подцветки белой бумаги составляет 20——80 г/т, а для выработки цветной бумаги ——от 0,2 до 25 кг/т. В бумажную массу красители вводят непрерывно при помощи дозаторов.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ БУМАГИНА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ
Для изготовления бумаги и картона применяют два типа бумагоделательных машин: плоскосеточные и круглосеточные. Первые используются для производства бумаги, вторые — картона. Основное отличие машин состоит в том, что в плоскосеточных машинах формование бумажного полотна осуществляется на движу-
щейся горизонтальной сетке, а в круглосеточных——полотно формуется на вращающейся цилиндрической сетке.
Устройство бумагоделательиой машины. Бумагоделательная машина состоит из сеточной, прессовой, сушильной и отделочной частей и привода. Кроме того, к ней относятся машинный бассейн для аккумулирования бумажной массы перед подачей на машину» оборудование для рафинирования, подмола и очистки массы, насосы для подачи воды и массы, вакуумные насосы, устройства для
/ — напорный ящик; 2 — грудной вал; 3 — гидропланка; 4 — мокрый отсасывающий ящик; 5 — отсасывающий ящик； 6 — отсасывающий гауч-вал; 7 —— пересасывающее устройство; 8 — отсасывающий прессовый вал; 5 — гранитный вал; 10 —^прессовый вал с регулируемым прогибом; 11 — сушильный цилиндр； 12 — сукноведущий вал; /3 — валы каландра с регулируемым прогибом； /4 — цилиндр наката.
переработки брака, бассейны оборотной воды, приточно-вытяжная вентиляционная система, регулирующие и контрольно-измерительные прибора. Более детальное устройство основных частей плоскосеточной машины и их назначение рассмотрим на примере современной отечественной широкоформатной скоростной бумагоделательной машины Б-15 для производства газетной бумаги (рис. 24) [8].
Сеточная часть предназначена для формования и обезвоживания бумажного полотна и включает напорный ящик и сеточный стол. Напорный ящик предназначен для равномерного и непрерывного напуска массы на сетку по всей ее ширине. Сейчас широко применяются закрытые напорные ящики, в которых требуемый напор массы создается давлением воздушной подушки. Бумажная масса на сетку выливается при помощи напускного устройства, обеспечивающего выход ее с одинаковой скоростью и в одинаковом количестве по всей ширине сетки, подачу массы спокойным потоком, без перекрещивания струй, завихрений и хлопьеобразований.
Сеточный стол представляет собой горизонтальную плоскость, образованную сеткой, натянутой между грудным валом и отсасывающим гауч-валом. Обратная (нижняя) ветвь сетки поддерживается сетковедущими, сеткоправильными и сетконатяжными валиками. Натяжение сетки осуществляется сетконатяжными валиками, а сеткбправильные валики служат для предотвращения 106
сползания сетки в стороны от продольной оси стола. В движение сетка приводится сеткоповоротным (сетковедущим) валом (на рис. 24 он расположен под пересасывающим валом) или одновременно сеткоповоротным и гауч-валом.
Сетка является основным элементом сеточного стола. На ней происходит формование бумажного полотна из бумажной массы. 'При помощи сетки приводятся в движение грудной вал и все остальные валики сеточного стола. При выполнении технологических функций сетка подвергается интенсивному механическому и химическому воздействию, поэтому она должна обладать достаточной прочностью на разрыв, изгиб, истирание и быть кислотоустойчивой. Она должна иметь хорошую водопропускную способность и высокую плотность, чтобы по возможности меньше мелких волокон уходило с оборотной водой и менее заметной была манкировка бумаги (оттиск сетки на стороне полотна бумаги, соприкасающегося с сеткой при формовании).
В настоящее время применяют металлические сетки из фосфористой бронзы и синтетические из перлона, найлона, лавсана, полипропилена и других синтетических полимеров. Для выработки бумаги из массы различного характера помола применяют сетки определенной плотности, под которой понимают частоту расположения нитей основы на 1 см ширины сетки. Число нитей Определяет номер сетки. Для выработки бумаги из массы садкого помола применяют сетки № 24—28, а из массы жирного помола № 32— 40. На быстроходных машинах металлические сетки работают 10—15, а на тихоходных 20—30 дней. Синтетические сетки легче, продолжительность работы их в 4——10 раз выше, они обладают лучшей фильтрующей способностью, меньше забиваются бумажной массой и меньше маркируют бумагу.
Под верхней ветвью сетки, по направлению ее хода последовательно от грудного до гауч-вала, расположены: формующая доска или ящик, гидропланки или регистровые валики, отсасывающие ящики. Основное назначение этих элементов ——формование бумажного полотна за счет создания режима обезвоживания бумажной массы на сетке требуемой интенсивности, а также поддержание сетки от провисания между грудным и гауч-валом.
В современных быстроходных бумагоделательных машинах регистровые валики уступили место гидропланкам и мокрым отсасывающим ящикам. Это обеспечивает качественное формование структуры полотна бумаги при более интенсивном процессе его обезвоживания.
Прессовая часть служит для дальнейшего механического обезвоживания полотна бумаги после сеточного стола. В большинстве бумагоделательных машин прессовая часть состоит из 2— 3 двухвальных прессов. Машины, предназначенные для выработки бумаги из массы жирного помола, имеют 4—5 прессов. Обычный пресс имеет 2 вала: верхний, гранитный или стонитовый, и нижний, металлический, облицованный резиной. Интенсивность обезвоживания в прессе регулируется давлением между валами, со-
здаваемым прижимом, или вылегчиванием одного из валов (обычно верхнего). В каждом прессе имеется сукно, охватывающее один из валов. Сукно устанавливается и поддерживается в рабочем положении при помощи сукноведущих, сукнонатяжных, сукноразгонных и сукноправильных валиков. Основное назначение сукон—предохранение структуры полотна бумаги от раздавливания во время прессования, впитывание влаги, транспортирование слабого сырого полотна в прессе и его передача в следующий пресс. При проходе пресса бумага одной стороной лежит на сукне и получает от него маркировку, а другой —— соприкасается с верхним гладким валом. В результате чего одна сторона бумаги сглаживается, а другая нет. Для сглаживания ее поверхности часто устанавливают обратный пресс, в котором сторона бумаги, соприкасавшаяся в предыдущем прессе с сукном, контактирует с гладким валом пресса. Развитием прессовой части машин для интенсификации процесса прессования бумаги, вместо обычных прессов является установка отсасывающих и сдвоенных прессов. Каждый из этих прессов приводится в движение строго от индивидуального привода.
В рассматриваемой бумагоделательной машине -прессовая часть состоит из сдвоенного отсасывающего и обычного прессов. Последний по отношению к первому является обратным. При скорости бумагоделательных машин свыше 450——500 м/мин для передачи бумаги с сеточной части в прессовую применяются вакуум- пересасывающие устройства. Отсасывающий вал вакуум-переса- сывающего устройства и нижний отсасывающий вал сдвоенного пресса охвачены одним сукном. Для промывки прессовых сукон применяются сукномойки.
Сушильная часть служит для окончательного обезвоживания полотна бумаги испарением влаги. Сушильная часть состоит из сушильных цилиндров, расположенных в два яруса в шахматном порядке. Сушильный цилиндр ——это полый стальной цилиндр диаметром 1500 или 1800 мм, изнутри обогреваемый паром. Поверхность цилиндров, как и прессовых валов, имеет высокую степень обработки — она отшлифована и отполирована. Цилиндры рассчитаны на рабочее давление 0,35 МПа. Число цилиндров зависит от вида вырабатываемой бумаги и скорости машины. Для выработки конденсаторной бум аги бумагоделательные машины имеют 5——6 цилиндров, а для выработки газетной и мешочной бумаги у быстроходных машин число цилиндров доходит до 50—80. Сушильная часть обычно разделяется на 3——5 групп. Каждая группа включает определенное число бумагосушильных цилиндров, охватываемых сушильным сукном, сукноведущих и сукносушильных цилиндров, сукноведущие, сукнонатяжные и сукноправильные валики. Разделением сушильной части на группы достигаются возможность регулирования температуры поверхности цилиндров каждой группы и, следовательно, обеспечение необходимого режима сушки в зависимости от вида вырабатываемой бумаги. Индивидуальный привод каждой группы или двух групп 108
цилиндров облегчает согласование скоростей соседних групп цилиндров для обеспечения безобрывности в сушильной части.
Сушильные сукна служат для плотного прижатия бумаги к поверхности цилиндров, впитывания удаляемой влаги и транспортировки бумажного полотна по сушильной части машины. В рассматриваемой бумагоделательной машине сушильная часть состоит из 50 сушильных цилиндров, разделенных на четыре группы. ■ В бумагоделательных машинах большой производительности сушильная часть полностью закрыта колпаком, служащим для более эффективного использования системы приточно-вытяжной вентиляции. Назначение вентиляции: удалять пар, регенерировать тепло отходящей при сушке парогазовой смеси; уменьшать потери тепла； снижать расход пара на сушку бумаги до 20 %; повышать производительность сушильной части на 15——20 %; улучшать санитарные условия труда рабочих, обслуживающих бумагоделательную машину.
Отделочная часть состоит из машинного каландра и наката. Установленный между сушильной частью и накатом машинный каландр служит для повышения лоска, гладкости и объемной массы большинства видов бумаги. Каландр состоит из 5—8 горизонтально один над другим расположенных валов, приводящихся в движение от нижнего вала. Поверхность валов шлифуют и полируют. Линейное давление между валами регулируют механизмом прижима и подъема. В процессе работы от трения валы сильно разогреваются, поэтому для охлаждения валов каландра предусмотрена система их охлаждения. Иногда для поверхностной обработки бумаги и картона (проклейки, окраски, пропитки и др.) в процессе ее изготовления на бумагоделательной машине в сушильной части устанавливают клеильный пресс.
После машинного каландрирования бумага поступает на накат, где наматывается в рулон. В настоящее время почти на всех современных машинах применяют периферические накаты барабанного типа. Основной их частью является чугунный барабан диаметром 1200 мм, который вращается от привода бумагоделательной машины. Окружная скорость барабана равна скорости изготовления бумажного полотна. Намотка рулона бумаги осуществляется на тамбурный валик, который специальным устройством прижимается к барабану, обеспечивая равномерную и плотную намотку бумаги.
Привод бумагоделательной машины предназначен Для привода в движение всех частей бумагоделательной машины. Он обеспечивает плавное изменение скорости отдельных частей в определенных пределах, строгое постоянство скорости приводимых частей при установившемся режиме работы машины. Пределы изменения регулирования скоростей зависят от вида вырабатываемой .бумаги.
Получил распространение многодвигательный привод, основанный на принципе привода в движение отдельных частей и секций
бу м агодел ательной машины от индивиду ального электродвигателя. Скорость машины и ее секцйй поддерживается автоматически.
узелков； напуск массы наузелков； напуск массы наОсновные технологические процессы изготовления бумаги, их назначение и характеристика. Технологический процесс изготовления бумаги (картона) включает следующие основные операции: аккумулирование бумажной массы; разбавление ее водой до необходимой концентрации и очистку от посторонних включений и
узелков； напуск массы на
узелков； напуск массы на
сетку; формование бумажного полотна ,
на сетке машины; прессование влажного листа и удаление избытка воды: сушку; машинную отделку и намотку бумаги (картона) в рулон. В технологическом потоке производства бумаги бумагоделательная машина ——самостоятельный агрегат, основные узлы которого установлены строго последовательно вдоль монтажной оси.
Аккумулирование. Приготовление бумажной массы проводят в размольно-подготовительном отделе. Потоки волокнистых, наполняющих, проклеивающих, окрашивающих и других материалов, составляющих композицию данного вида будущей бумаги, направляются в дозатор или составитель композиции, где они непрерывно и строго дозируются в заданном соотношении, а затем поступают в метальный бассейн. В этом бассейне масса тщательно перемешивается и аккумулируется (накапливается). При выпуске бумаги в метальный бассейн подается также канифольный клей. Сульфат алюминия в этот бассейн обычно не подается. Он прибавляется в машинном бассейне в уже хорошо перемешанную с клеем массу. Назначение аккумулирования бумажной массы — непрерывно поддерживать однородность и стабильность ее качества и обеспечить бесперебойную работу машины в течение некоторого времени. Концентрация массы в бассейне 2,5—— 3,5 %.
Из метального бассейна бумажная масса подается в машинный бассейн с циркуляционным устройством. В современных системах непрерывной подготовки бумажной массы при использовании автоматически действующей контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры вместимостё метального и машинного бассейнов принимается из расчета работы машины в течение 30— 40 мнн.
РафинированыеЛ Рафинирование бумажной массы производится перед ее подачей на машину в аппаратах непрерывного действия ——конических и дисковых мельницах. В процессе рафинирования бумажной массы происходит выравнивание степени помола массы, устранение пучков волокон и некоторый подмол массы. Для этого мельницы устанавливают после машинного бассейна непосредственно перед бумагоделательной машиной.
При выработке технических бумаг (конденсаторной, папиросной, бумаги-основы для копирования и др.) массу подвергают домалыванию и рафинированию на двух или трех конических мельницах, устанавливаемых последовательно, В мельницах степень помола массы возрастает от 0,5 до 2,5——3° ШР.
Подач а массы н а бумагоделательную машину. По выходе из машинных бассейнов масса при концентрации 2,5— 3,5 % дозируется и направляется на бумагоделательную машину. Перед поступлением на машину она разбавляется оборотной водой, очищается от посторонних загрязнений, а также от узелков и комочков. Для поддержания постоянной массы 1 м2 вырабатываемой бумаги необходимо, чтобы в единицу времени на сетку машины поступало одно и то же количество массы, при этом ско- рость машины должна быть постоянной. Скорость машины изменяют при переходе на выработку другого вида бумаги.
На современных бумагоделательных машинах массу 1 м2 вырабатываемой бумаги поддерживают постоянной автоматическими регуляторами. На бумагоделательную машину массу подают с помощью насоса и ящика постоянного напора. Масса, поступающая на бумагоделательную машину, разбавляется водой в смесительном насосе. Разбавление необходимо, во-первых, для последующей очистки массы, так как из густой массы трудно удалять загрязнения, и, во-вторых, для лучшего формования бумаги на сетке бумагоделательной машины. ■
Система подготовки и подачи массы на машину обеспечивает постоянство композиции, концентрации массы, степени помола, не допускает осаждения волокон, выделения проклеивающих и наполняющих веществ, а также контролирует расход бумажной массы, поступающей на машину, предварительно прошедшей тщательную очистку и деаэрацию. В качестве очистного оборудования широко применяются конические вихревые очистители и узлоловители закрытого типа.
Формирование бумажного листа н а сетке б у - м агоделательной машины. Бумажная масса, разбавленная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной машины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м2 бумаги, рода волокна и степени помола массы [1]. Обычно для ускорения процесса формования бумажного полотна концентрацию, бумажной массы, поступающей на сетку, повышают с увеличением массы 1 м2 бумаги. При отливе тонкой бумаги требуется более сильное разбавление массы, при этом волокна дольше за- аержнваются в водном слое на сетке во взвешенном состоянии и тем самым условия формования бумажного полотна улучшаются. Такие же условия формования полотна создаются и при выработке высокопрочных видав бумаги. Так, для получения высокопрочной мешочной бумаги массой 1 м2 70 и 80 г концентрация массы в напорном ящике должна быть 0,15—0,3 %.
На процесс обезвоживания массы существенное влияние оказывает степень ее помола. Масса с более высокой степенью помола (жирная) труднее отдает воду на сетке машины, поэтому в этом случае бумагу вырабатывают при меньшем разбавлении массы. Понижение разбавления при отливе бумаги из жирной
массы не ухудшает формования листа, так как волокна легче и лучше диспергируются и медленнее оседают на сетку. Например, при выработке тонкой туалетной бумаги массой 1 м2 8——12 г из массы очень садкого помола ее разбавляют до 0,1 %, тогда как при выработке конденсаторной бумаги массой 1 м2 8—12 г из массы очень жирного помола ее концентрация обычно составляет 0,25—0,28 %.
Напуск массы н а сетку. Эта операция осуществляется при помощи напускного устройства — напорного ящика. Для нормальной работы машин при скоростях 450——500 м/мин требуется напор массы в напорном ящике 2,5—3 м, при скорости 600 м/мин — около 4,2 м и т. д. Напускное устройство обеспечивает напуск бумажной массы на бесконечную сетку, движущуюся в направлении от грудного к гауч-валу, с одинаковой скоростью и в одинаковом количестве по всей ширине сетки. Напуск массы осуществляется почти параллельно сетке без всплесков. Скорость напуска массы на сетку должна быть на 5—10 % ниже скорости сетки. Если скорость массы значительно отстает от скорости сетки, то увеличивается продольная ориентация волокон (ориентация в машинном направлении) и прочность бумаги в продольном направлении. Если же скорость напуска массы выше скорости сетки, то образуются наплывы массы, которые ухудшают качество бумаги. Равномерность напуска массы на сетку является одним из важных факторов получения бумаги с равномерным просветом, по которому судят о качестве процесса формования бумажного листа. Чем равномернее просвет, тем качественнее отлив бумаги.
Формование бумажного листа (отлив). Формование, или отлив, бумажного листа представляет собой процесс объединения волокон в листовую форму с созданием определенной объемной капиллярно-пористой структуры. Этот процесс осуществляется на сеточной части бумагоделательной машины постепенным и последовательным удалением воды из бумажной массы (обезвоживанием) .Режим обезвоживания, начинаемый в начале сеточного стола и заканчиваемый сушкой бумаги в сушильной части, на всех этапах технологического процесса оказывает существенное влияние на качество бумаги и производительность машины.
На быстроходных машинах обезвоживание бумажной массы в начале сеточного стола протекает настолько интенсивно, что ухудшается качество бумаги: увеличиваются промой волокна, проклеивающих, наполняющих и красящих веществ. Поэтому обезвоживание замедляют установкой формующей доски шириной 400—— 800 мм и вместо обычных регистровых валиков в начале сеточного стола ——желобчатых валиков. Замедление обезвоживания способ- * ствует лучшей беспорядочной ориентации волокон в слое водноволокнистой суспензии на сетке и обусловливает получение бумаги с лучшим просветом и равномерностью свойств в машинном и поперечном направлениях.
Далее слой суспензии, транспортируемый бесконечной сеткой, последовательно проходит над регистровыми валиками или гидро-
планками, где постепенно обезвоживается под действием слабого вакуума, создаваемого этими обезвоживающими элементами и напором массы на сетке. По мере удаления воды слой суспензии сгущается, образуется определенная структура бумажного полотна в виде слоя волокнистой массы на сетке концентрацией 2——4 %. Обезвоживание такого слоя с помощью вакуума, создаваемого регистровыми валиками или гидропланками, затрудняется. Поэтому дальнейшее обезвоживание проводят с помощью отсасывающих ящиков, в которых создается вакуум с помощью вакуум-насосов, причем от первого к последнему ящику вакуум повышается. Разрежение в ящиках устанавливают в зависимости от вида вырабатываемой бумаги, оно находится в пределах 2—3 кПа. После отсасывающих ящиков сухость бумажного полотна составляет 8—— 10 %. Затем полотно бумаги обезвоживается в конце сеточного стола на гауч-вале под действием вакуума в отсасывающей камере, а иногда и давления прижимного вала, устанавливаемого над гауч-валом. Вакуум в камере гауч-вала может составлять от 20 до 80 кПа.
В зависимости от вида вырабатываемой продукции сухость бумажного полотна после сеточной части равна 12—22 %. Сформованное бумажное полотно с указанной сухостью имеет определенную структуру и прочность, называемую прочностью в мокром состоянии. Этой прочности достаточно, чтобы полотно можно было передать в прессовую часть машины для дальнейшего обезвоживания. Обезвоживание механическим отжимом воды в прессах после достижения сухости 12—22 % более эффективно, чем обезвоживание повышением вакуума. В то же время чем больший вакуум создается в отсасывающих ящиках и гауч-вале, тем больше высасывается мелкого волокна, проклеивающих наполняющих и других веществ из стороны бумажного полотна, прилегающей к сетке. Это и является причиной усиления разносторонности бумаги.
Прессование. После сеточной части бумажное полотно поступает в прессовую, состоящую обычно из нескольких прессов, на которых оно последовательно обезвоживается до сухости 30— 42 %. Для интенсификации обезвоживания полотна в прессовой части применяют прессы с желобчатыми валами и повышенным линейным давлением между ними. Важное значение для обезвоживания полотна имеют надлежащий подбор сукон и их кондиционирование. Бумажное полотно, сформованное в сеточной части, автоматически вакуум-пересасывающим устройством передается на сукно прессовой части. Современные конструкции комбинированных многовальных прессов обеспечивают прохождение бумаги без свободных участков (участков, где полотно бумаги не поддерживается сукном), что позволяет осуществить безобрывную проводку бумаги в прессовой части.
Прессовать бумажное полотно нужно при постепенно возрастающем линейном давлении от 176 до 784 Н/см длины прессового вала. Это обеспечит сохранение его структуры. Например, 8 Заказ № 56/13
при выработке газетной бумаги давление на первом прессе 343—— 441 Н/см длины вала, на втором 441—490 Н/см и на третьем 490— 539 Н/см. При повышении скорости машины длительность прессования сокращается, и степень обезвоживания бумажного полотна уменьшается.
Во время прессования бумажное полотно не только обезвоживается, но и уплотняется. При этом увеличивается площадь контакта и силы сцепления между волокнами. Кроме того, изменяется, ряд свойств бумаги: растет объемная масса, снижается пористость, воздухопроницаемость, впитывающая способность, увеличивается механическая прочность на разрыв, излом и продавлю вание, повышается прозрачность и т. д.
Прессовая часть бумагоделательной машины должна работать с максимальной нагрузкой, так как повышение на 1 % сухости бумажного полотна после прессов снижает расход пара на. 5 % и позволяет уменьшать число сушильных цилиндров в сушильной части машины на 4—5 %. Кроме того, обезвоживание бумажного полотна в сушильной части в 10——12 раз дороже, чем в прессовой^ и в 60—70 раз дороже, чем обезвоживание на сетке.
Сеточную и прессовую части машины называют «мокрой» частью. Из общего количества воды, удаляемой из бумажного полотна на машине, на сеточную часть приходится 94—96 %, на прессовую 3—4 %. Дальнейшее обезвоживание (сушка) бумажного полотна происходит в сушильной части машины.
Сушка. В сушильной части бумагоделательной машины бумажное полотно обезвоживается до конечной сухости 92——95 %. В процессе сушки удаляется 1,5——2,5 кг воды на 1 кг бумаги, что примерно в 50—100 раз меньше, чем на сеточной и прессовой частях машины. При сушке одновременно происходит дальнейшее уплотнение и сближение волокон. В результате повышается механическая прочность и гладкость бумаги. От режима сушки зависят объемная масса, впитывающая способность, воздухопроницаем мость, прозрачность, усадка, влагопрочность, степень проклейки и окраска бумаги.
Бумажное полотно, проходя по сушильным цилиндрам, поочередно соприкасается с нижними и верхними цилиндрами то одной, то другой своей поверхностью. Для лучшего контакта между цилиндрами и бумагой и облегчения заправки применяют сушильные сукна (сетки), охватывающие сушильные цилиндры примерно на 180°.
• Сушка бумаги на сушильном цилиндре состоит из двух фаз: на нагретой поверхности цилиндра под сукном и на участке свободного хода, т. е. когда бумажное полотно переходит с одного цилиндра на другой. В первой фазе, под сукном, испаряется основное количество влаги: на тихоходных машинах до 80—85 %, на быстроходных до 60——75 % всей влаги, испаряемой в сушильной части машины. Во второй фазе, на участках свободного хода влага испаряется с обеих сторон бумаги за счет тепла, поглощенного бумагой в первой фазе сушки. При этом бумага в зависи- 114
мости от скорости машины претерпевает понижение температуры на 4—г15°. При падении температуры снижается скорость сушки, особенно на тихоходных машинах, так как на них падение температуры полотна бумаги больше, чем на быстроходных. С повышением скорости машины количество испаряемой воды на участке свободного хода бумаги увеличивается. С уменьшением количества воды в бумажном полотне интенсивность сушки на свободном участке понижается.
Температуру сушильных цилиндров повышают постепенно, что способствует улучшению качества бумаги и завершению процесса проклейки. В конце сушильной части температуру поверхности цилиндров снижают, так как высокая температура при небольшой влажности бумаги действует на волокна разрушающе. При выработке некоторых видов бумаги из 100 %-ной сульфатной целлюлозы, например мешочной, температуру последних цилиндров не снижают. Температурный режим сушки устанавливают в зависимости от вида вырабатываемой бумаги. Для выработки большинства видов температура сушильных цилиндров составляет 100— 115°, з для некоторых видов 80—100℃. Повышение температуры сушильных циЛиндров ускоряет процесс сушки. Следовательно, сушку нужно вести при максимально допустимой температуре, которая не ухудшает качество бумаги.
Для интенсификации сушки в сушильной части применяют закрытые колпаки скоростной сушки с сопловым обдувом бумажного полотна горячим воздухом. Значительный эффект, особенно на скоростных машинах, наблюдается от применения синтетических сеток (вместо сукон). Благодаря открытой структуре сеток интенсифицируется процесс парообразования с поверхности бумажного полотна, облегчается вентиляция сушильной части и существенно увеличивается срок службы одежды. Для бумаг с ярко выраженной пористой структурой (санитарно-бытовых видов бумаги, фильтровальных картонов и др.) эффективной оказалась сушка прососом воздуха сквозь полотно, осуществляемая на специальных перфорированных цилиндрах.
Сухость бумажного полотна после сушильной части составляет 92—95 %, а температура 70—90℃. Для обеспечения высококачественного каландрирования и хорошей намотки полотна в конце сушильней части устанавливают холодильные цилиндры, охлаждаясь на которых, бумажное полотно впитывает влагу и увлажняется на 1——2 %.
Отделка. После сушки бумажное полотно с целью уплотнения и повышения гладкости проходит через машинный каландр, состоящий из расположенных друг над другом ^2^8 валов. Полотно, огибая поочередно валы каландра, проходит кежду ними при возрастающем давлении. Современные машинные каландры снабжаются механизмами прижима, подъема и вылегчивания валов. Нижний вал и один из промежуточных выполняются с регулируемым прогибом, что позволяет применять высокие давления в захватах валов при сохранении равномерности давления по ши-
рине полотна. Пройдя каландр, бумажное полотно непрерывно наматывается на тамбурные валы в рулон диаметром до 2500 мм. Перезаправка с одного тамбурного вала на другой осуществляется при помощи специальных механизмов и устройств.
После бумагоделательной машины бумага поступает на продольно-резательный станок и далее к упаковочной машине. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска большинство видов бумаги для печати, писчей и технической пропускают через суперкаландр.
Размещение бумагоделательных машин. Бумаго- и картоноделательные машины размещаются на двух этажах. Основные узлы машины, где формируется, обезвоживается и наматывается полотно, размещаются на втором этаже, а вспомогательное оборудование технологических коммуникаций — на первом. На первом этаже устанавливается также оборудование для переработки мокрого (гауч-мешалка) и сухого (гидроразбиватель) брака, станция централизованной смазки и др.
КЛАССИФИКАЦИЯ БУМАГО-И КАРТОНОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН
Бумаго-, картоноделательные и сушильные машины классифицируют по основному параметру — обрезной ширине полотна. Кроме того, вид и тип машины определяют их назначением по вырабатываемой продукции, которую в свою очередь подразделяют на массовую, немассовую и специальную (табл. 11) [8].
таблица и
Вид машины
Тип машины -
Обозначение
Типоразмер по обрезной ширине полотна, мм
Для массовой
Для бумаги
БМ
1680； 2520； 4200； 6300；
продукции
6720； 8400； 10080； 10500
Для картона
км
2100; 4200; 6300； 8400;
Для целлюлозы
ЦМ
10 500
4200； 6400
Для немассовой
Для бумаги
БН
1680； 2520； 4200； 6300
продукции
Для картона
КН
1680； 2100； 4200
、Для специальной
Для целлюлозы
цн
2100
Для бумаги, получаемой
БСВ
840； 1050； 1250; 1680；
продукции
формованием из водных
2100; 2400； 2520
суспензий
Для бумаги, получаемой
БСС
840； 1050； 1250； 1680；
сухнм формованием
2000
Основные параметры, характеризующие бумаго- или картоноде- лательную машину,——это ширина вырабатываемой бумаги (мм) и скорость (м/мин). Эти два параметра, а также масса 1 м2
полотна определяют производительность машины (т/ч, т/сут, тыс. т/год).
Теоретическую часовую производительность Пт, кг/ч, бумаго- или картоноделательной машины можно рассчитывать по формуле
Пг = Buq60/1000 = 0,06Buq,
где В — ширина полотна на накате, м; и — скорость машины на накате, м/мин; q — масса 1 м2 вырабатываемой продукции, г/м2.
Фактическую производительность 〃ф, кг/сут, нетто можно определить по формуле-
/7ф = 0,06Buq拓瓦电，
где 拓—коэффициент загрузки работы машины в течение суток (число часов фактической работы, обычно 22,5—23);居一коэффициент использования рабочего хода машины (учет холостых хд дов, обычно 0,95—0,98); fe3 — коэффициент выхода нетто товарной продукции из брутто всей машинной продукции (учет оборотного брака, обычно 0,88—0,98).
Машины для выработки газетной бумаги ——одни из наиболее производительных машин, несмотря на то, что масса 1 м2 газетной бумаги составляет 40——51 г. Скорость этих машин достигает 1000—1100 м/мин, а ширина сетки равна 9850 мм.
Первая отечественная широкоформатная скоростная бумагоделательная машина для производства газетной бумаги (см. рис. 24) была установлена в 1976 г. на Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате.
Техническая характеристика
51511 0007603301 0007603305 3456 7075 3456 707108350 82006 0006 855108350 82006 0006 855Масса 1 м2 вырабатываемой бумаги, г
51
51
1 000
760
330
1 000
760
330
5 345
6 707
5 345
6 707
108350 8200
6 000
6 855
108350 8200
6 000
6 855
Максимальная скорость машины, м/мнн：
по приводу
рабочая
Производительность суточная нетто за 22,5 ч, т
Установленная мощность электродвигателей, кВт；
регулируемого привода
нерегулируемого привода
Габарит, мм:
длина
ширина (по осям шин)
высота первого этажа
высота от пола второго этажа
Бумагоделательная машина для выработки книжно-журнальной бумаги с формованием бумажного
полотна между двумя сетками (рис. 25) изготовлена в 1978 г. для Жадачовского КБЗ.
Техническая характеристика
Масса 1 м2 вырабатываемой бумаги, г 62
Максимальная скорость машины, м/мин: по приводу 1000
рабочая 580
Производительность суточная неттоза 22 ч, т 100
Установленная мощность электродвигателей, кВт： регулируемого привода 1715
нерегулируемого привода 2900
Габарит, мм:*
длина72100
ширина (по осям шин) 3800
высота первого этажа 4800
высота от пола второго этажа 7000
- Для сушки целлюлозы, являющейся исходным сырьем при вы- | работке различных видов бумаги и картона, предназначаются су- 1 шильные машины. У современных сушильных машин напор- j ные ящики, как правило, открытого типа со специальным коллек- j тором. Сеточные столы включают; регистровые валики, мокрые и j обычные отсасывающие ящики со спрысками горячей водой, ров- | нитель, двухкамерный гауч-вал с отжимным валом; Консольные 1 столы машин позволяют использовать как металлическую, так и | синтетическую сетки. Последние конструкции сушильных машин | имеют в сеточной части сеткоповоротный вал и автоматическую 1 передачу полотна целлюлозы из сеточной части в прессовую. J
Прессовая часть сушильных машин состоит из трех прессов: ? первого ——прямого отсасывающего, второго и третьего ~ прямых ；| с нижними желобчатыми валами, причем у третьего пресса чаще | используется желобчатый вал с регулируемым прогибом. Поверх- 1 ностный слой желобчатых валов и верхнего вала третьего пресса | выполняются из нержавеющей стали. Между вторым и третьим $ прессами для интенсификации обезвоживания часто устанавли- j вают подогревательную группу, состоящую из 3—6 сушильных ци- | линдров.J
Сушильная часть машин представляет собой 3——5-ярусную $ цилиндровую сушилку или шкаф конвективной сушки (сушка по-； лотна на воздушной подушке). Цилиндровые сушилки включают до 140 сушильных цилиндров диаметром 1500 мм и 3—4 холодильных цилиндра диаметром 1500 мм или один диаметром до 4 м. Вместо холодильных цилиндров иногда применяют специальную охладительную камеру. За шкафом конвективной сушки устанавливают охладительный шкаф (на воздушной подушке), а после сушильной части — саморезку с листоукладчиком, реже накат.
工
|州宇触 й/
—J
L
七倉: 吃
□
ooms
手
备
一'nay енншем BEHqImmo*9zdHd
ibheh 丨 g -dEHBIrBH — g ^HQ««- BeHqFHmA0—中 №hKBHOQMdu I 0 -qljeh KBHhoI©—N (XHmKHNHdoueH— 7^E^s^o «од^здл^.од^дд^ НУ■нооллзи K§ SKO^rts BBHqu'aLEU'anoJEWAq、・ga ・Hd
Широкоформатные отечественные сушильные машины К2П-11 (рис- 26) имеют обрезную ширину полотна целлюлозы 6400 мм.
Техническаи характеристика
Масса 1 м2 вырабатываемойцеллюлозы,г 800
Максимальная скорость машины, м/мнн: по приводу 200
рабочая 124
Производительность суточнаянеттоза23 ч, т 758
Габарит, мм:
Длина (от осн грудного вала до осн тележкн укладчика) 108000
ширина (по осям шнн) 8 350
высота первого этажа 7 200
,высота от пола второго этажа 8 200
НОВЫЕ МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯБУМАЖНОГО ЛИСТА
Для отлива бумажного полотна применяют плоскосеточные и круглосеточные бумагоделательные машины. Плоскосеточные обеспечивают большую производительность и, кроме того, при выработке бумажного полотна на этих машинах менее резко выражено различие показателей механических свойств в машинном и поперечном направлениях. Преимуществом цилиндровых машин является возможность изготовления толстых и плотных волокнистых материалов (многослойных картонов) с широким интервалом толщины и большими возможностями выбора композиции для каждого слоя в отдельности. Последнее обстоятельство позволяет применять для внутренних слоев волокнистого материала относительно низкосортные и дешевые полуфабрикаты, а для наружных Слоев ——полуфабрикаты и материалы, обеспечивающие надлежащий товарный вид и облагороженную поверхность готовой продукции.
Получившие распространение машины типа инверформ сочетают в себе некоторые преимущества столовых и цилиндровых машин. Они работают при высокой скорости и дают возможность изготовлять многослойные виды бумаги и картона. Сеточной стол машины имеет нижнюю и одну (при выработке однослойной бумаги) или несколько (по числу слоев бумаги или картона) верхних сеток. Масса из напорного ящика закрытого типа подается в зазор между двумя сетками, и вода из образующегося бумажного (или картонного) полотна удаляется одновременно в двух направлениях: вверх и вниз.
Машины инверформ с четырьмя, а иногда и пятью верхними сетками применяются для выработки различных видов коробочного картона с использованием в композиции сульфатной и сульфитной целлюлозы, бум-ажной макулатуры и древесной массы.
Для покровных слоев могут быть использованы полуфабрикаты в беленом виде. Ожидается, что скорость машин инверформ при изготовлении многослойной продукции сможет достичь 500— 600 м/мин. При выработке газетной бумаги на машине с одной верхней и одной нижней сеткой была достигнута в опытном порядке скорость до 1500 м/мин. Хотя на машине инверформ были получены хорошие результаты также при изготовлении типографской бумаги, основы для мелования и некоторых других видов бумаги, тем не менее этот тип машины оказался более пригодным для выработки многослойных картонов.
Преимуществами машин типа инверформ по сравнению с обычными столовыми и многоцилиндровыми машинами являются: повышенная производительность вследствие высокой скорости работы и высокого съема бумаги (картона) с каждого 1 м2 площади сеточного стола; более равномерное формование бумаги за счет удаления воды через верхнюю сетку; возможность работы при более высокой концентрации массы в напорных ящиках; одинаковые печатные свойства обеих поверхностей бумаги; возможность изготовления бумаги, менее подверженной скручиванию. Однако смена нижней сетки требует остановки всей машины инверформ, тогда как выход из строя какого-либо одного цилиндра многоцилиндровой машины не влечет за собой остановки этой машины.
Дальнейшим усовершенствованием принципа отлива листа бумаги между двумя сетками является машина вертиформа. Сеточный стол этой машины имеет вертикальный вид. Образующееся при отливе бумажное полотно движется сверху вниз. Принцип действия машины вертиформа легко понять, если представить себе сеточный стол машины инверформ повернутым на 90°, т. е. поставленным вертикально. На машине выход массы в зазор между двумя сетками регулируется соответствующими выпускными щелями сливного ящика между двумя прочно закрепленными грудными валами обычного типа. К каждой сетке примыкают вакуум- камеры, осуществляющие отсос воды из бумажного полотна. Машина имеет только один отсасывающий вал -— нижний гауч со стороны прессовой части машины; противоположный является простым валом, расположенным примерно на 0,5 м ниже отсасывающего гауча. Последняя секция над отсасывающим гауч-валом соответствует отсасывающему ящику обычной столовой машины и не имеет такой же симметричной секции на противоположной стороне.
Опыт эксплуатации в Канаде первой промышленной установки сеточного стола вертиформа показал, что качество газетной бумаги заметно улучшилось по сравнению с качеством той же бумаги, изготовляемой на машинах с обычным горизонтальным сеточным столом. У нее отсутствует разносторонность, более равномерными оказались показатели прочности бумаги в машинном и в поперечном направлениях, а показатели сопротивления раздиранию в машинном и в поперечном направлениях бумаги просто одинаковы. БЬтло отмечено, что процесс формования бумаги прак-
тически не зависит от скорости машины и эксплуатация вертикального сеточного стола проще и дешевле, чем обычной сеточной части. Производственная площадь для размещения установки вер- тиформа составила лишь 40 % занимаемой обычным сеточным столом. 一
Глава 5
ПРОИЗВОДСТВО КАРТОНА
КЛАССИФИКАЦИЯ КАРТОНОВ
Картон характеризуется следующими показателями: массой ]м2, толщиной, объемной массой, механической прочностью, влажностью, впитывающей способностью, тепло- и электроизоляцион- ннмн, фильтрующими, защитными и другими свойствами. Выпускаемые в СССР картоны подразделяют на шесть классов: тарные и упаковочные, полиграфические, фильтровальные, для легкой промышленности (обувной, стелечный, чемоданный и др.), технические и строительные. Каждый класс картона в зависимости от целевого назначения подразделяют на виды, число которых еже- гопно возрастает. Этому способствует использование картона как заменителя дерева, металла, кожи в различных отраслях народ,- ного хозяйства. В настоящее время выпускается более 100 видов картона [36]. [
Тарные и- упаковочные картоны предназначены для изготовления ящиков и коробок для упаковки различных изделий и материалов. Их выпускают нескольких видов: тарный, упаковочный, гофрированный, плоский склеенный и коробочный.
Полиграфические картоны — это переплетный, билетный, матричный и прессшпан. Переплетный картон предназначен для изготовления книжных переплетов н беловых изделий и выпускается трех марок: А, Б и В.
Фильтровальные картоны вырабатывают нескольких разновидностей: для фильтрации вин, пива, технических масел, дизельного топлива, воздуха, применяемые в прот'ивопыльных респираторах при работе в рудниках и т. д. Эти виды картона вырабатываются из облагороженной целлюлозы (сульфитной), иногда с добавлением синтетических волокон и асбеста. Они должны обладать высокой проницаемостью, хорошим задержанием частиц взвеси и пыли и низкой объемной массой.
Картон для легкой промышленности — это обувной, стелечный, для задников, простилочный и Др. Обувной картон служит для изготовления различных деталей обуви. Вырабатывают его из кожевенного и растительного волокон.
Технические картоны ——прокладочные, водонепроницаемые, термошумоизоляционные, жаккардовые, калиброванные, электроизоляционные, асбестовые и другие виды картона.
Электроизоляционные картоны применяют для изоляции токопроводящих частей трансформаторов, электродвигателей и генераторов, электроприборов и других машин и аппаратов. По свойствам электроизоляционные картоны разделяют на два вида: один предназначен для работы в масле ——ЭМ (в масляных трансформаторах и аппаратах с масляным заполнением), другой — для работы в воздушной среде (в воздухе). Вырабатываются из сульфатной целлю-
лозы и тряпичной полумассы толщиной от 0,1 до 3 мм, обладают высокой объемной массой ——0,9——1,25 г/см3. Электроизоляционные картоны отличаются высокой электрической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и высокими механическими показателями.
Строительные картоны применяют в строительстве и при изготовлении стройматериалов. Важнейшие из них ——кровельный, облицовочный, многослойный.
ПОДГОТОВКА МАССЫ
Сырьем для производства картона служат те же полуфабрикаты, что и для изготовления бумаги. В производстве картона более широко используют полуцеллюлозу, целлюлозу, сучковую целлюлозу, разные виды древесной массы, отходы тряпья, соломенную массу, шерстяное тряпье и отходы от переработки хлопка. Кроме растительных волокон, применяют асбест и обрезки кож при изготовлении кожкартона. Показатели разных видов картона， также как и бумаги, достигаются композицией и режимом обработки на каждой стадии изготовления картона. Волокнистые полуфабрикаты размалывают в конических и дисковых мельницах^ которые, по конструкции не отличаются от применяемых в бумажном производстве.
Картон, как и бумагу, подвергают проклейке канифольным и животным клеем, крахмалом, казеином, жидким стеклом. Некоторым видам картона не предъявляют высоких требований к белизне, качеству поверхности. Благодаря этому представляется возможность применять для проклейки картона проклеивающие вещества темного цвета — битум, каучук, асфальт, монтанвоскг пековый клей и др. Водостойкие картоны ——обувной, прокладочный, автомобильный и др. — пропитывают в массе каучуковыми, битумными и другими эмульсиями.
При проклейке многослойных картонов клей и глинозем вводят в отдельные ванны с массой для каждого слоя. В качестве наполняющих веществ используют каолин, тальк; красящими веществами служат органические красители.
Некоторые виды картона выпускаются с поверхностным, покрытием, т. е. подвергаются мелованию, покрытию полиэтиленом, латексом и др. Для этой цели употребляют водные суспензии наполнителей, закрепляемые на поверхности картона клеевыми веществами —казеиновым клеем, крахмалом и т. д. После нанесения покровного слоя картон подсушивают, каландрируют, он приобретает ровную и гладкую поверхность. По способу изготовления картоны разделяют на однослойные и многослойные, листовые и ролевые.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ КАРТОНАНА КАРТОРОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
Изготовление многослойного листового картона. Для выработки многослойного листового картона применяют одно- и двухцилиндровые папочные и плоскосеточные машины. На рис. 27 показана автоматизированная поточная линия производства электро-
^7^
-BHOIdBX OJOnOIosIf rafflbo§sso^c KsHslf KBHhOIO 匚-^M .os^
丨a-ноне''。I= t
I 6 -°s 〈°。3dli HHXQUhHKBBdRHJ ——g ^aoHaoKQSraaH Щ2ио«яи.оа «2Х?О^&«« ——寸-ашнаоеокйан «2fflo«s§a——g -crfffl ВДЗХНЙЕаол-——N -5HQ «sxffoHOQ——r
-«OK«HQ EIqBOXQH'n"Ior -««§S^Q венчуинно''丨
二qdzdouoHed1-
изоляционного листового картона. Масса концентрацией 0,4—0,8 %,
подготовленная для отлива, поступает в напорный ящик открытого
типа, откуда напускается на движущуюся сетку. На сеточном столе происходит отлив и формование элементарного слоя картона массой 45——60 г/м2. Сухость слоя картона после сеточного стола (отсасывающего вала) составляет 13— 18%.
Элементарный слой с отсасы
вающего вала сжатым воздухом передается на прессовое сукно форматного вала, на который он наматывается до определенной толщн- ды. Форматный вал расположен на двух обрезиненных прессовых валах диаметром 600 мм. Один из них укреплен на неподвижной, а второй на подвижной опорах с пневматическим устройством для изменения
и регулировки давления ме картона. Форматный автоматический нож и регулировки заданной картона, приводимый в
при отживал имеет механизм толщины движение
сжатым воздухом.
По достижении нужной толщи
ны картон автоматически срезается с форматного вала ножом, выдвигающимся через щель из тела форматного вала. Кромка разрезанного картона отдувается сжатым воздухом через вторую щель в форматном вале, и лист картона падает на приемный роликовый транспортер. Скорость движения транспортера в момент приемки срезанного листа совпадает с линейной скоростью форматного вала, а затем снижается до 20 м/мин. Толщина сошедшего с форматного вала
картона задается в зависимости от
объемной массы готового
после каландрирования.
картона после форматного
картона Сухость вала со-
ставляет
23—27 %.
С приемного роликового транспортера листы картона поступают в трехъярусный загрузочный роликовый транспортер, а затем в гидравлический пресс. Картон прессуется в трехъярусном прессе при удельном давлении 2——5 МПа между плитами при температуре 80—90℃. Сухость картона после пресса 55—60 %.
Листы картона загружают в пресс транспортером из бронзовых сеток. Этими же сетками после прессования листы картона выгружаются на транспортер. Такой же сеткой обтянута верхняя плита пресса. Таким образом, лист картона при прессовании зажат между двумя сетками. Это способствует удалению воды, улучшает поверхность картона и предохраняет плиты от. загрязнения. Все процессы прессования автоматизированы.
После прессования листы картона из пресса выводятся подвижными сетками на трехъярусный транспортер, который подает их в тоннельную сушилку с калориферным обогревом и прижимными сетками. По длине сушилка разделена на 13 зон; в каждой поддерживается различная температура воздуха. В конце сушилки расположена охладительная камера, оборудованная увлажнительной установкой. Режим сушки зависит от вида картона и его толщины.
По окончании сушки листы картона влажностью 4—8 подаются транспортерами на дисковый станок для обрезки профильных кромок. Обрезанные кромки картона дробятся на кусочки длиной 5——10 мм и пневмотранспортером подаются в циклон, а затем в гидроразбиватель для брака.
После сушки картон содержит 4—8 % влаги, а для его отделки требуется влажность 10——14. Поэтому картон увлажняют на специальных станках, затем кипоукладчиком укладывают на металлический поддон, установленный на рольганге, в стопы высотой до 3 м и оставляют для отлежки в течение 1—5 суток в помещении с относительной влажностью воздуха не ниже 75—80 %. Во время отлежки влажность по толщине листа выравнивается, повышается пластичность картона, и он легче каландрируется. По окончании отлежки картон поступает на каландр. Каландрированием достигается уплотнение и повышение лоска картона, а также выравнивание его толщины. Для каландрирования листового картона обычно применяют двухвальные сатинированные и фрикционные каландры.
Фрикционный каландр состоит из двух металлических валов, он отличается от обычного тем, что верхний вал является приводным, а нижний приводится от верхнего через шестеренчатую передачу с опережением на 18—20 %. Благодаря разности скоростей валов создается сильное трение между поверхностями листа и валами, за счет чего картон приобретает необходимый лоск. Линейное давление при каландрировании очень высоко и может изменяться в пределах от 1960 до 14 700 Н/см и более, в зависимости от вида вырабатываемого картона. Для повышения эффективности отделки валы каландра обогреваются паром. Скорость движения
•OHOhdeM—— /7 iHJJCh boqQJJadu HOHqoHQO ZJJadu щ™&йтаязитаи^.о HHI^dzH адо&о^-м -W3M&K 1 ^^"、.6 fyBg.hABJ «щнйтаизитаино ——^ -Зии Шак OHmoiBn '3QWUHO 03=^SHSarofflrf-0ae I к / rqQQUdu озх^юо g^Hqu^J-HdEBHSdu ——g w -и-raffl ^NHSdoaou — g ^Mssffl адзяЕя^яас I ^ -HWEdEHHIfHU 。 EHHE——~
W90.X BHHmBWHBHhosJoyJAdx Кгаял5ёчщ§«оь&^ .83 .os^
j-fmeh 〈匸五 HHB9EdE9) HHHDgl1Hdзфн^и—а^ЗАёкчя^ QNHqlfHHOKOX I g~^3^5Я§^ а2хл§э^оокj-fmeh 〈匸五 HHB9EdE9) HHHDgl1Hdзфн^и—а^ЗАёкчя^ QNHqlfHHOKOX I g~^3^5Я§^ а2хл§э^оокИзбытокИзбытокПодача массыПодача массымассымассыРис. 29. Схема формования слоя картона с помощью вакуум- формирующих цилиндрических сетокРис. 29. Схема формования слоя картона с помощью вакуум- формирующих цилиндрических сеток
j-fmeh 〈匸五 HHB9EdE9) HHHDgl1Hdзфн^и—а^ЗАёкчя^ QNHqlfHHOKOX I g~^3^5Я§^ а2хл§э^оок
j-fmeh 〈匸五 HHB9EdE9) HHHDgl1Hdзфн^и—а^ЗАёкчя^ QNHqlfHHOKOX I g~^3^5Я§^ а2хл§э^оок
Избыток
Избыток
Подача массы
Подача массы
массы
массы
Рис. 29. Схема формования слоя картона с помощью вакуум- формирующих цилиндрических сеток
Рис. 29. Схема формования слоя картона с помощью вакуум- формирующих цилиндрических сеток
валов 50—115 м/мин. После отделки картон сортируется; затем его упаковывают в деревянные щитки или ящики.
Изготовление ролевого картона. Для изготовления ролевого картона применяют многоцилиндровые, плоскосеточные и комбинированные картоноделательные машины, имеющие мокрую, сушильную и отделочную части.
Многоцилиндровые картоноделательные машины црименяют для изготовления многослойного картона мас-
сой от 200 до 1200 г/м2. Машины' имеют до восьми сеточных цилиндров. На них можно получать ролевый картон стольких слоев, сколько установлено сеточных цилиндров.
Многослойный ролевый картон состоит из нескольких элементарных слоев; он значительно прочнее, чем картон такой же толщины, изготовленный отливом одного слоя на плоскосеточной машине. Кроме того, элементарные слои картона можно получать из разных волокнистых материалов. Например, наружные слои, от которых зависит внешний вид картона, изготовляют из лучшего волокнистого материала, чем внутренние слои. Это позволяет экономить дорогостоящее волокно — целлюлозу. Поэтому массовые виды картона — переплетный, коробочный и др. изготовляют на многоцилиндровых картоноделательных машинах. Схема круглосеточной картоноделательной машины К-06А, изготовляющей переплетный, коробочный и другие виды картона, представлена на рис. 28. -
Сеточная часть машины состоит из восьми ванн с сеточными цилиндрами диаметром по 1500 мм. Предварительная прессовая ^асть состоит из двух обычных, двух отсасывающих прессов и отсасывающего гауч-пресса. Основная прессовая часть включает три отсасывающих пресса и сглаживающий пресс. Между вторым и третьим отсасывающими прессами расположены шесть картоносушильных и два сукносушильных цилиндра. Основная сушильная часть имеет закрытый колпак. Между каландрами установлены
два картоносушильных и два холодильных цилиндра. Между 36-м ? и 37-м цилиндрами установлен клеильный пресс для проклейки ? картона с поверхности. Машина оснащена двумя 8-вальными ка-; ландрами и накатом барабанного типа. Заправка полотна кар- J тона в прессовой части пневматическая, в сушильной части — | автоматическая.':]
Формование многослойного картона осуществляется с помощью : вакуум-формующих цилиндрических сеток (рис. 29). Основным ； элементом формующего устройства является цилиндрическая j сетка 2, вращающаяся в ванне /・ Масса в ванну подается через $ напорный ящик 8, избыток массы через переливное устройство 3 ； возвращается в машинный бассейн. При вращении цилиндриче- j ской сетки под действием вакуума и напора массы на поверхности j сетки образуется элементарный слой массы 5, а вода фильтруется : внутрь барабана и через карманы 6 отводится в бассейн оборот-: ной воды. На современных машинах элементарный слой картона,； формируется под небольшим вакуумом. Для этого внутри сеточ-； ного цилиндра вентилятором создается вакуум 392——588 Па, спо-; собствующий получению элементарного слоя равномерной тол-； щины и позволяющий повышать скорость машины. Сформирован-扌 ный элементарный слой массы отжимается съемным валиком 7 и, прилипая к бесконечному съемному сукну 4, транспортируется им к следующему формующему устройству, где на первый слой на-: сдаивается второй элементарный слой массы и так далее на всех £ восьми формирующих устройствах.|
Сформированное сырое 8-слойное картонное полотно съемным j сукном подается в предварительную прессовую часть, где подвер-: гается осторожному уплотнению и обезвоживанию с постепенным : повышением давления от пресса к прессу. Таким образом, полотно、: подготовляется к повышенному давлению на основных прессах. -J Сухость полотна после предварительного прессования колеблется : от 25 до 30 %. После предварительных прессов полотно поступает j на основную прессовую часть машины, где происходит дальней- К шее уплотнение и обезвоживание до сухости 35—40 %. Устройство < этой части картоноделательной машины аналогично устройству прессовой части бумагоделательной машины. Далее полотно кар-飞 тона поступает на сушку. Сушка ролевого картона производится ； контактным способом на сушильных цилиндрах, которые распо-之 ложены в два ряда в шахматном порядке. Имеются также карто-胃 ноделательные машины, в которых сушильные цилиндры распо-； ложены в три ряда. Давление пара в сушильных цилиндрах под-: держивается в пределах 0,25—0,5 МПа.“ ：j
Для повышения качества отделки картон поступает на первый 8-вальный каландр, оборудованный мокрыми шаберами, при по-广 мощи которых можно производить поверхностную окраску или ； увлажнение картона. Затем картон подается на досушивающие ■ цилиндры и на второй каландр для окончательной отделки.
Плоскосеточные картоноделательные машины применяют для выработки тарного и кровельного картона, а также
некоторых видов бумаги из сульфатной целлюлозы ——мешочной, кулечной и упаковочной. Эти машины имеют более высокую скорость (до 760 м/мин) и производительность (800—900 т/сут тарного картона), чем многоцилиндровые картоноделательные машины. Сеточная часть на некоторых плоскосеточных картонодела- тельных машинах оборудована двумя напорными ящиками. Второй ящик предназначен для дополнительного налива массы на сетку (покровного слоя).
На этих машинах изготовляют 2-слойный тарный картон. О(Г нова такого картона делается из целлюлозы высокого выхода, а наружный слой ——из целлюлозы нормального выхода. Нанесение покровного слоя из более прочного волокнистого материала значительно повышает механические показатели и печатные свойства и улучшает внешний вид картона. Установка второго напорного ящика позволяет вырабатывать на более производительных длинносеточных машинах картон с облагороженной поверхностью, который ранее изготовляли на менее производительных многоцилиндровых машинах. По конструкции плоскосеточная машина аналогична бумагоделательной машине. 、
В СССР изготовляются плоскосеточные картоноделательные машины К-07 и К-Ю для наработки плоских слоев гофрированного картона, а также машины К-15 и К-09 для выработки кар- тона и бумаги для гофрирования. Производительность их соответственно 500; 850; 320 и 500 т в сутки; рабочая скорость 200—400; 280—485; 200—400 и 300—400 м/мин; скорость привода для всех этих машин одинакова — в пределах 200—485 м/мин.
Раздел III
ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОЛИЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Глава 6
ГИДРОЛИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Гидролизное производство основано на свействе полисахари- аов, составляющих около 70 % массы растений на суше, подвер- гаться гидролитическому расщеплению до моносахаридов под дей- ствнем воды в присутствии4 минеральных кислот. Впервые гидро- 近"полисахаридов обнаружил русский академик Кирхгоф ^Д81Гг., а затем во Франции Мельсенс (!885 г.). Позже в США (1896 —1918 гг.) и в Германии (1926—1932 гг.) по методу гидро- 近мза было организовано промышленное производство этилового спирта из древесины [2, 11].
9 Заказ № 56loo
Параллельно с работами, проводимыми за рубежом, велись исследования в нашей стране. Первый опытный завод по получению этилового спирта из древесины, спроектированный на базе научных разработок В. И. Шаркова, был пущен в 1934 г. [2]. Успешному развитию гидролизного производства в нашей стране способствовали наличие достаточного количества экономически доступного растительного сырья и насущная потребность в эти^ ловом спирте, из которого по методу академика С. В. Лебедева получали и получают дивинил ——исходное вещество для производства каучука, остро необходимого народному хозяйству.
Гидролизное производство характерно для СССР и на современном этапе, являясь одним из направлений микробиологической промышленности. Здесь открыта возможность получения индустриальным методом в массовом масштабе из ежегодно возобновляющихся малоценных и непищевых растительных материалов ряда таких пищевых, кормовых и технических продуктов, как глюкоза, ксилит, белковые дрожжи, этиловый спирт, фурфурол, углекислота. В этом направлении наиболее актуальной задачей является существенное расширение производства кормовых дрожжей, представляющих собой ценнейший, богатый витаминами и микроэлементами белковый корм для птиц и животных. Особая ценность гидролизного производства усматривается еще и в том, что в качестве сырья оно использует низкокачественную древесину, разнообразные древесные и сельскохозяйственные отходы, миллионы тонн которых дополнительно к используемым с высокой экономической эффективностью ежегодно могут быть вовлечены в произ
водство.
Наличие в растительных тканях гидролизного сырья двух типов полисахаридов — пентозанов и гексозанов и, следовательно,
возможности получения преимущественно пентозных или гексозных моносахаридов, определило организацию в гидролизной промышленности СССР предприятий следующих профилей:
дрожжевого, основанного на переработке всех сахаров в кормовые дрожжи;
спиртодрожжевого, в котором из гексознах сахаров вырабатывается этиловый спирт, а из пентозных — дрожжи;
фурфурольно-дрожжевого, в котором вначале сырье обрабатывают с целью получения фурфурола нз гемицеллюлозной части, сохраняя целлюлозную для последующего гидролиза и получения дрожжей;
ксилозно-дрожжевого, где вначале гидролизуют главным образом пентозаны для получения ксилозы, а затем гексозаны для производства дрожжей.
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКЦИИГИДРОЛИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Товарными продуктами гидролизного производства являются кормовые белковые дрожжи, фурфурол, этиловый спирт, углекислота, ксилит.
В состав товарных дрожжей входят: сырой протеин (общий белок) 56—43 %, углеводы 23—20 %, жиры 2—7 %, зола 8—11 %,
влага 8—10 %. Дрожжи следует рассматривать как высококонцентрированный витаминизированный белковый корм, содержащий более 15 аминокислот. Наличие витаминов группы В (от В】 до В9), витаминов Hi (парааминобензойная кислота) и D2 (эргостерин), а также микроэлементов (медь, железо, кобальт, цинк, марганец, натрий, кремний и др. до 0,1 % каждый) повышает питательную ценность содержащегося в дрожжах белка. Благодаря такому составу дрожжей введение их в кормовой рацион животных и птиц существенно повышает эффективность животноводства и птицеводства. Ежегодное производство дрожжей гидролизной промышленностью СССР в настоящее время находится на уровне 450 тыс. т.
Фурфурол — это непредельный гетероциклический альдегид фуранового ряда состава С5H4О2, представляющий собой прозрачную бесцветную маслянистую жидкость с характерным запахом. Обладая большой реакционной способностью, фурфурол легко образует различные производные, получившие широкое распространение как сырье для многочисленных синтезов органических соединений — фуриловых, фурфуролкарбамидных, фурфуролацетатных, полиэфирных и полиамидных полимерных материа- лов； используется как растворитель смазочных масел, канифоли и других веществ. Исходным сырьем для получения фурфурола являются богатые пентозанами кукурузная кочерыжка, овсяная шелуха, хлопковая шелуха, подсолнечная лузга.
Углекислота ——неверное, но укоренившееся в технике название двуокиси углерода СО2. При нормальных условиях ——это бесцветный газ с плотностью по воздуху 1,524. Жидкая углекис* лота бесцветна и подвижна, масса 1 м3 при 0℃ равна 947 кг, при 15℃ —813 кг.
Жидкую углекислоту применяют при электросварке металлов, в литейном производстве, в пожарной технике, в пищевой промышленности для газирования воды, напитков. Твердую углекислоту, или сухой лед, используют как консервант для охлаждения пищевых продуктов, в медицине и т. д.
Ксилит представляет собой пятиатомный спирт, получаемый восстановлением D-ксилозы. Химическая формула С5Н7 (ОН )5. Твердый кристаллический ксилит ——кристаллы белого цвета. По сладости он равен сахарозе. Широко применяется для производства различных кондитерских и пищевых продуктов, предназначенных для больных диабетом, а также как сырье в химической промышленности, где используется в производстве эфиров канифоли, ксифталевых смол, заменителей глицерина и др.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГИДРОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Единственным источником промышленного получения моносахаридов являются растительные ткани, основу которых образуют полимерные цепи различных полисахаридов — гексозанов и пентозанов. Наиболее ценным растительным сырьем, состоящим при-
мерно на 70—75 % из полисахаридов, является древесина. Превращение полисахаридов растительного сырья в моносахариды (простые сахара) основано на гидролитическом расщеплении (гидролизе) полисахаридов [2].
Гидролиз полисахаридов протекает под действием воды в присутствии крепкой минеральной кислоты в качестве катализатора. Роль катализатора выполняют ионы гидроксония Н3О+, образующиеся при взаимодействии протона кислоты Н+ с водой. Ионы гидроксония быстро протонизируют кислород гликозидной связи между звеньями полисахаридов, которая ослабевает и рвётся с образованием иона карбония. Карбоний ион реагирует с водой, давая гидроксильную группу и высвобождая катализатор (протон Н+)..
■ Процесс гидролиза полисахаридов до моносахаридов протекает ступенчато через образование промежуточных продуктов с постепенным уменьшением СП. Условно механизм гидролиза целлюлозы, разбавленной минеральной кислотой, представляется следующей схемой:
Целлюлоза ...ГидроцеллюлозаЦеллюлоза ...Гидроцеллюлозареакция протекает быстрореакция протекаетмедленно 、реакция протекает быстрореакция протекаетмедленно 、Нерастворимые в воде продуктыНерастворимые в воде продукты
Целлюлоза ...
Гидроцеллюлоза
Целлюлоза ...
Гидроцеллюлоза
реакция протекает быстро
реакция протекает
медленно 、
реакция протекает быстро
реакция протекает
медленно 、
Нерастворимые в воде продукты
Нерастворимые в воде продукты
.(СП 60—10).(СП 10-3).(СП 2-дисахариды) С[2H22。"• (моносахариды) C^HiaOg.(СП 60—10).(СП 10-3).(СП 2-дисахариды) С[2H22。"• (моносахариды) C^HiaOgРастворимые в воде продуктыРастворимые в воде продуктыЦеллодекстрйны
.(СП 60—10)
.(СП 10-3)
.(СП 2-дисахариды) С[2H22。"
• (моносахариды) C^HiaOg
.(СП 60—10)
.(СП 10-3)
.(СП 2-дисахариды) С[2H22。"
• (моносахариды) C^HiaOg
Растворимые в воде продукты
Растворимые в воде продукты
Олигосахариды — формы ..
Целлобиозы
древесины могутдревесины могутD-Глюкоза
древесины могут
древесины могут
Реакции полного гидролиза полисахаридов быть выражены уравнениями:
(СбН10О5)л + (% - 1) Н2О—«СбН12Об；
一 целлюлоза,глюкоза и дру-
гексозаныгйе гексозы
(С5Н8О4)Л + (% — 1) Н2О f %С5H[0О5.
пентозаныпентозы
Полисахариды древееины в связи с особенностями надмолекулярной структуры разделяют на легко- и труднбгидролизуемые. К легкогидролизуемым относятся гемицеллюлозы и небольшая часть целлюлозы, способные гидролизоваться разбавленными кислотами при 100 ℃. Трудногидролизуемые полисахариды ——это целлюлоза и небольшая часть гемицеллюлоз, которые поддаются гидролизу разбавленными кислотами только при температуре 160— 190 ℃ и соответствующем давлении. -
Одновременно с гидролизом полисахаридов под действием тех же катализаторов (кислот) идет процесс разрушения моносахаридов с образованием различных продуктов их распада: оксиме- 132
тилфурфурола, фурфурола, муравьиной кислоты и др. На скорость гидролиза полисахаридов древесины существенно влияют температура и концентрация кислоты： чем они выше, тем быстрее протекает процесс. Скорость распада моносахаридов определяется теми же факторами, что и скорость их образования. Поэтому режим гидролиза растительного сырья с целью получения моносахаридов подбирают так, чтобы процесс разрушения моносахаридов, был наименьшим.
ГИДРОЛИЗНОЕ СЫРЬЕ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА
В качестве гидролизного сырья широко используются различные виды отходов лесопиления и деревообработки, дрова, отходы переработки сельскохозяйственных культур и некоторые дикорастущие растения.
При заготовке древесины образуется около 15——25 % лесосечных отходов в виде веток, вершин, пней, коры и т. п. Около 10— 12 % мягких отходов (опилки) и 20 % твердых отходов (горбыль, рейка, обрезки) образуемся при разделке древесины на пиломатериалы, что на крупных лесопромышленных комплексах выливается в 400—500 тыс. пл. м3 в год. Значительные запасы сырья (10—30 тыс. т щепы в год) образуются на лесохимических заводах, вырабатывающих дубильный экстракт (сырье ——одубина) и экстракционную канифоль (сырье — осмольная щепа после экстракции). Дрова лиственных и хвойных пород, в избытке заготавливаемые в некоторых районах лесоразработок, составляют важный источник гидролизного сырья. 。
Сырье для гидролиза должно иметь определенный гранулометрический состав (например, размер щепы по длине волокна 5—— 35 мм, а по толщине 5 мм), содержать коры не более 12 %, гнили не более 6 %, минеральных примесей не более 1 %. Опилки, стружка, одубина, щепа после экстракции пригодны для гидролиза без какой-либо дополнительной обработки.
Хлопковая шелуха представляет собой твердую оболочку семян хлопчатника. Основная масса шелухи (от 3 до 80 тыс. т в год) скапливается на маслоэкстракционных заводах, выход ее составляет 40——45 % массы семян. Меньше, чем шелуха, используются стебли хлопчатника (гуза-пая), выход которых составляет 0,8 т на 1 т хлопка.
Кукурузная кочерыжка является отходом предприятий, отделяющих кукурузные зерна от початков. Выход кочерыжки 25— 35 % массы початков, длина в среднем 10—15 см, диаметр 15— 20 см. Запасы только на одном крахмально-паточном заводе составляют 30—40 тыс. т в год.
Подсолнечная лузга является отходом производства подсолнечного масла из семян подсолнечника. Выход ее составляет около 50 % массы перерабатываемых семян. На отдельных заводах запасы ее составляют от 5 до 30 тыс. т в год.
Выход рисовой и просяной лузги составляет от 16 до 25 % массы зерна: На крупных предприятиях ее получают от 6 до 12 тыс. т в год.
Солому хлебных злаков и дикорастущих растений рассматривают как источник потенциального сырья для гидролизной промышленности.
Критерием для использования тех или иных отходов является их стоимость, размеры их концентрации в районе расположения гидролизного завода и технологические свойства. Наиболее дешевым видом сырья являются древесные опилки и подсолнечная лузга. Если принять стоимость 1 т абсолютно сухих древесных опилок за 1, то стоимость 1 т подсолнечной лузги равна 1, кукурузной кочерыжки 4,2, древесной щепы 5 единицам.
Растительное сырье, используемое на гидролизных заводах, должно .содержать в необходимых количествах определенные полисахариды. Химический состав наиболее распространенных видов гидролизного сырья представлен в табл. 12. ，
ТАБЛИЦА 12
Компонент
Содержание, %' массы абс. сухого вещества
Ель
Оснна
Кукурузная кочерыжка
Подсолнечная лузга
Шелуха
хлопковая
рисовая
Полисахариды:
легкогидролизуемые
17,3
20,3
44,0
37,9
21,9
24,9
18,1
трудиогидролизуемые
48,0
33,4
28,7
34,3
29,0
Всего
65,3
64,3
71,3
50,6
59,2
47,1
Пентозаны + уроновые
9,2
24,3
40,2
28,6
42,1
36,4
кислоты
Гексозаиы
58,7
36,7
28,0
34,4
32,0
Целлюлоза
Лигнин
46,1
28,1
15,2
28,2
30,6
19,0
Зола
0,3
1,1
2,2
2,5
18,0
Смолы (экстрагируемые
0,9
0,3
2,0
0,6
2,1
эфиром)
§ 24, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОЛИЗА
В практике гидролизного производства повсеместное применение получил метод перколяционного гидролиза, предложенный Шоллером в 1926——1928 гг. и впервые осуществленный в промышленном масштабе в СССР. Гидролиз проводится разбавленной серной кислотой концентрацией 0,2——1 %, при температуре 180—— 190° С и давлении 1—1,5 МПа без регенерации кислоты. Характерной особенностью метода является периодичность загрузки сырья и непрерывность перколяции кислоты, заключающейся в Том, что разбавленная свежая кислота концентрацией 0,5 % при темпера-
туре 180——190 ℃ непрерывно фильтруется через слой измельченного растительного сырья и образовавшиеся в результате гидролиза сахара и другие продукты переходят в раствор и вместе с ним непрерывно удаляются из реакционного пространства. Удельный раствор кислоты, содержащий сахара и другие продукты распада растительного сырья, называют гидролизатом. Упрощенная технологическая схема получения гидролизата показана на рис. 30.
Рис. 30. Технологическая схема получения гидролизата по методу непрерывной перколяции:
/ — гидролизаппарат； 2—весомер; 3 — транспортер сырья; 4—струйный подогреватель; 5 — подогреватель; 6 н 7 — решоферы; 8 — инвертор; 9 н /0 — испарители; 11 — мерник кислоты； /2 — быстродействующий клапан; /3 —бак кислоты; 14 — транспортер лнгнниа; 15 — циклон
Гидролиз растительного сырья проводят в стационарных гид- ролизаппаратах, работающих под давлением. В промышленности применяют гидролизаппараты вместимостью от 18 до 160 м3, изготавливаемые в последнее время из кислотоупорной стали. Гидролизаппарат (рис. 31) представляет собой вертикальный цилиндрический стальной сосуд сварной конструкции со сферической верхней и конической нижней частями. Сферическая часть заканчивается загрузочной горловиной, закрываемой крышкой. Нижний* конус оснащен выхлопным устройством для удаления лигнина после окончания процесса варки сырья. В верхней части аппарата имеются штуцера для подачи варочной кислоты, сдувки паров воздуха и газов и для присоединения контрольно-измерительных приборов.
В нижнем конусе гидролизаппарата устанавливают фильтрующие устройства для отделения гидролизата от лигнина. Они состоят из кислотоупорных труб, на поверхности которых выполнены отверстия диаметром 4 мм. На рис. 31 показано расположение
фильтрующих устройств с вертикальной перколяцией кислоты. Примерно в середине цилиндрической части имеются две опорные лапы. Одну лапу устанавливают на две шарнирные опоры, опирающиеся на датчик манометрического весомера, а вторую закрепляют на шарнирной опоре.
Процесс гидролиза состоит из операций загрузки в аппарат измельченного сырья, закачки кислоты, подогрева содержимого аппарата, собственно перколяции, промывки лигнина водой, от
жима остатка гидролизата и удаления лигнина из гидролизаппарата.
3 агруз ка измельченного с ы - р ь я в гидролиз аппарат производится специальным транспортером. Масса загружаемого сырья, зависящая от его происхождения, вида, гранулометрического состава, влажности и других факторов, существенно влияет на производительность гидролизаппарата. В табл.13 приведены данные плотности загрузки основных вндбв растительного сырья.
Как видно из табл. 13, плотность загрузки повышается при совместной загрузке щепы с опилками, а также при смачивании сырья. Этими приемами пользуются в производстве и наиболее
Рис. 31. Гидролизный аппарат:
/ — фильтрующие устройства; 2 — корпус; 3 — загру-зочная горловина; 4 — сдувочный штуцер; 5 — весо-мер; 6 — выхлопная горловина
иасто совмещают загрузку сырья с закачкой кислоты. При этом плотность загрузки опилок возрастает на 8—10 %, а щепы на 3 %.
Закачку серной кислоты, предварительно смешанной с водой в необходимом соотношении в смесителе, производят одновременно с загрузкой сырья в гидролизаппарат.
ТАБЛИЦА 13
Сырье древесное
Плотность загрузки, кг/м>
Сырье недревесное
Плотность загрузкн, кг/м*
Опнлкн
Щепа
(60-% щепа, 40 % опнлок)
5ез смачивания
Ель
75
114
Кукурузная кочерыжка
190—200
Осина
80
И4
116
Подсолнечная лузга
100
(
」。смачиванием
Хлопковая шелуха
190—195
Осииа
132
142
160
Рисовая лузга
114
Солома (сечка)
90
136•
Нагрев содержимого гидролизаппарата и п одъем давления до заданного значения осуществляют подачей острого пара через нижний штуцер аппарата. В процессе нагрева и подъема давления производят 2——3 сдувки парогазовой смеси для удаления воздуха и летучих продуктов. В зависимости от принятого режима содержимое подогревается до 140——160 ℃ в течение 30——60 мин. В этих условиях начинается процесс гидролиза, и значительная часть гемицеллюлоз успевает перейти в раствор.
После достижения заданных значений температуры и давления начинается процесс перколяции. Эта операция включает подачу горячей воды и серной кислоты через смеситель и одновременный отбор гидролизата из нижней части гидролизаппарата. В течение периода перколяции согласно принятому режиму изменяется расход серной кислоты, воды, температура и скорость отбора гидролизата. Это связано с тем, что по мере гидролиза снижается содержание сахаров в сырье и происходит его усадка. Количество отбираемого гидролизата за варку характеризуется гидромодулем выдачи гидролизата, под которым понимают отношение объема отобранного гидролизата к массе загруженного абсолютно сухого сырья (м3/т). Отбор гидролизата осуществляют до достижения определенной массы в гидролизаппарате, определяемой весомером.
Перед завершением гидролиза подачу кислоты прекращают и осуществляют промывку лигнина горячей водой. Затем отключают подачу воды и остатки ее отжимают. Эту операцию называют сушкой.
Для удаления лигнина из гидролизаппарата снижают давление до 0,6—0,7 МПа сдувкой пара. Затем открывают быстродействующий клапан нижней горловины гидролизаппарата, и лигнин устремляется по выдувной трубе в циклон. Выгрузка, или «выстрел», продолжается несколько десятков секунд. В циклоне погашается живая сила массы и отделяется лигнин от паров само- испарения. Пары отводятся через центральную выхлопную трубу в атмосферу, а лигнин сосредоточивается на днище циклона, из которого он удаляется вращающимся выгребным механизмом через разгрузочные отверстия в днище. Лигнин грузят на транспортные средства и вывозят по назначению.
Подача серной кислоты в смеситель производится по программе насосом через мерник, который питается от расходного бака по самотечному кислотопроводу.
Гидролизат, отбираемый в процессе перколяции и отжима из нижней части каждого гидролизаппарата, транспортируется через индивидуальный трубопровод к коллектору и далее поступает на испарительное охлаждение. Охлаждение гидролизата производится ступенчато в двух или трех последовательно соединенных испарителях. Давление в испарителях снижается от одной ступени
к другой так, что из последнего испарителя гидролизат стекает с температурой около 100 ℃ и при атмосферном давлении. Пары самоиспарения гидролизата направляют в решоферы для конденсации и нагрева воды, идущей на перколяцию. При правильном ведении режима с использованием регенерированного тепла путем теплообмена можно нагреть воду до 145 ℃. До температуры 180— 190℃ вода последовательно нагревается в подогревателе, а затем в струйном водоподогревателе.
В промышленности применяется несколько режимов гидролиза в зависимости от профиля завода и повышения требований к биологической доброкачественности гидролизатов. В табл. 14 приводится один из применяемых режимов гидролиза для дрожжевого производства в гидролизаппарате вместимостью 70 м3.
ТАБЛИЦА 14
Операция
Время, МИИ
Давление, МПа
Подано воды
м»/ч
м$ за период
Загрузка
40
25
17
90
• 35
Подогрев, (подъем давления)
50
0,9
—«-
40
Перколяцяя
20
0,9
180
81
27
90
28
20
0,95
183
81
27
90
28
20
1,05
185
81
27
90
28
20
М
187
81
27
90
27
Промывка
20
1,15
188
69
23
—
24
Отжим
40
0,7
—
—
18
Выстрел
10
Всего:
240
一
—
—
148
450
153
—
Ступенчатый гидролиз широко применяется на заводах при переработке сырья, содержащего большое количество легкогидролизуемых пентозанов (кукурузной кочерыжки, хлопковой, овсяной и рисовой шелухи, подсолнечной лузги и древесины лиственных пород), с целью раздельного получения пентозных и гексозных гидролизатов. Из пентозных гидролизатов, которые при такой технологии сохраняются в большей степени, получают ксилит, а из гексозных ——дрожжи или этиловый спирт.
Доброкачественность гидролизатов при получении ксилита достигается проведением гидролиза в две ступени. Первая ступень (облагораживание) проводится с перколяционной промывкой растительного сырья горячей водой (100 ℃) с целью удаления дубильных веществ, пектинов, жиров, смол, растворимого лигнина
и других веществ. На этой; ступени растворяется около 10 % исходного сырья. После облагораживания сырье освобождается от избытка воды, и начинается пентозный гидролиз с помощью 3 %-ной серной кислоты при ПО—130 ℃ в течение 3 ч. Концентрация пентозных сахаров в гидролизате достигает 6 %, его доброкачественность 65——68 %. Для достижения доброкачественности 98—99 % гидролизат подвергают очистке. Гидрированием пентозных гидролизатов водородом получают ксилит. Каталитическое гидрирование протекает при температуре 120 ℃ в реакторах, через которые пропускается гидролизат с водородом. Выход товарного ксилита составляет около 75*% сухих веществ гидрированного гидролизата. .
В производстве фурфурола исходным сырьем являются те же растительные отходы, что и при производстве ксилита. Технология его производства основана на отгонке образующегося фурфурола с водяным паром при проведении гидролиза по специальному режиму. Перед гидролизом сырье смешивается с серной кислотой концентрацией 10——15,% в смесителе при гидромодуле 0,2——0,3 и поступает в гидролизаппарат. Подачей острого пара содержимое гидролизаппарата подогревается до температуры 160— 170 ℃ и затем выдерживается при этой температуре 2——3 ч. В этих условиях содержащиеся в растительном сырье пентозаны гидролизуются до пентоз и уроновых кислот, которые превращаются в фурфурол. Образовавшийся фурфурол смешивается с водяным паром и уносится из гидролизаппарата в Конденсационную систему. После конденсации паров фурфурольный конденсат с содержанием 3——4 % фурфурола очищается от примесей и превращается в товарный продукт. Остаток растительного сырья после отгонки фурфурола состоит главным образом из целлюлозы и лиг- нийа. Этот остаток подвергается обычному перколяционному гидролизу при температуре 180—190 ℃ с разбавленной серной кислотой концентрацией 0,7——1 %. Образующийся при этом гексозный гидролизат после очистки и нейтрализации используется для вы* ращивания дрожжей.
Заслуживает внимания режим гидролиза с замкнутым циклом водопользования, который осваивается гидролизными заводами. Такой режим гидролиза направлен на снижение объемов сточных вод и охрану окружающей среды и предусматривает использова-, ние на гидролиз вместо чистой воду производственных стоков (в частности на Кировском биохимическом заводе), состоящую из дрожжевой бражки, фурфурольного лютера и конденсата выпарных станций.
Выход фурфурола например, из 1 т хлопковой шелухи составляет 68—85 кг, из 1 т подсолнечной лузги 58—70 кг. Около 90 % всего выпускаемого фурфурола производят по прямому методу, а остальные 10 % приходятся на фурфурол гидролизно-дрожже- внх и гидролизно-спиртовых заводов.
§ 25. СОСТАВ ГИДРОЛИЗАТОВ И ОЧИСТКА ИХОТ ПРИМЕСЕЙ
Гидролизаты, получаемые при перколяционном гидролизе растительных тканей, представляют собой разбавленные растворы смеси моносахаридов, содержащие ряд примесей различного происхождения:
продукты неполного гидролиза углеводов (целлодекстрины, ксилодекстрины, олигосахариды, целлобиозы);
продукты распада сахаров (фурфурол, оксиметилфурфурол, муравьиная кислота, гуминовые вещества);
неуглеводные компоненты растительной ткани (уксусная кислота, метиловый спирт, скипидар, формальдегид, низкомолекулярные фракции лигнина);
катализатор (серная кислота и продукты ее взаимодействия с зольными элементами сырья).
Примерный состав гидролизатов, полученных при лучших режимах гидролиза различных видов сырья, приведены в табл. 15.
ТАБЛИЦА 15
Сырье древесное
週
III
Состав гидролизата, г/100 мл
РВ
|g 義 龜
黯
Органические кислоты
II
Ель
15,0
47,5
3,16
0,18
0,37
0,04
0,06
0,008
0,26
0,03
0,15
Береза
16,7
48,0
2,88
0,15
0,54
0,08
0,09 .
0,006
0,40
0,05
0,24
Осина
16,8
47,8
2,86
0,15
0,59
0,08
0,09
0,006
0,05
0,06
0,24
Основной характеристикой гидролизатов является содержание в них редуцирующих веществ (РВ), под которыми понимают всю сумму органических соединений, обладающих восстанавливающей способностью： моносахариды и некоторые примеси, фурфурол, ок- симетилфурфурол, формальдегид и лигногуминовые вещества. В связи с тем, что величина РВ примерно соответствует содержанию моносахаридов в гидролизатах, она является основным показателем химико-технологического контроля производственной деятельности гидролизного завода. Концентрация РВ в гидролизатах зависит от вида сырья и режима его гидролиза и находится в пределах 2,5—3,5 %.
Состав моносахаридов гидролизатов зависит от вида растительного сырья и в основном соответствует составу содержания в них полисахаридов (табл. 16).
Глюкоза, галактоза и манноза относятся к сбраживаемым сахарам, из которых при спиртовом брожении продуцируется этиловый спирт. В гидролизатах хвойных пород древесины содержится 75—90 % сбраживаемых сахаров, а в гидролизатах сырья богатого пентозанами 45—60 %.
ТАБЛИЦА 16
Сырье
Состав моносахаридов в гидролизатах, %
Глюкоза
Галактоза
Маиноза
Ксилоза
Арабиноза
Ель
70,0
L7
18,5
8,5
1,4
Береза
54,0
2,2
3,6
38,7
1,5
Кукурузная коче-
42,6
1*6
51,0
4,8
рыжка
Содержание примесей в гидролизатах отрицательно сказывается на жизнедеятельности дрожжей при выращивании их на этих средах. Поэтому гидролизаты перед химической переработкой подвергают очистке. Для характеристики пригодности 『ип」 ролизатов применяют показатель биологической доброкачественности гидролизатов, под которым понимают отношение содержания в гидролизате основного продукта к общему содержанию сухих веществ. Следовательно, снижение содержания примесей в гидролизатах повышает их биологическую доброкачественность.
Снижение содержания декстринов (целло- и ксилодекстринов, олигосахаридов и целлобиоз) в гидролизате достигается в процессе инверсии после выдачи из гидролизаппарата. Проведение этого процесса преследует две цели: снижение содержания примесей и повышение содержания моносахаридов, в которые превращаются декстрины. Одновременно снижается также содержание оксиметилфурфурола, лигногуминовых веществ и других примесей. В табл. 17 представлены данные влияния инверсии на состав гидролизата.
ТАБЛИЦА 17
Вещество
Содержание А г /100 мл
Разница, % от исходной величины
до инверсии
после инверсии
РВ
3,14
3,20
+2
Моносахариды
2,72
2,92
+8
Декстрины
0,22
0,05
—77
Общие бронируемые ве-
0,42
37
—12
щества
Фурфурол
Оксиметилфурфурол
Осадок
Спирт после брожения
0,06 0,16
1,20
0,06 0,11 0,55 1,26
0
—28
+5
Инверсия осуществляется выдержкой гидролизата в специальных непрерывнодействующих аппаратах (инверторах) при ЮО ℃ в' течение 8 ч. Инверторы представляют собой стальные резервуары, состоящие из центральной и цилиндрической частей,
нижнего конуса и верхней конусной крышки. Вместимость инверторов колеблется от 500 до 1000 м3.
Для последующей биохимической переработки гидролизаты должны бьгть нейтрализованы до pH 4,0—5,6, очищены от взвешенных частиц, обогащены растворимыми солями, содержащими фосфор и азот, необходимые для минерального питания дрожжей, и охлаждены до температуры 33—37 ℃. Приготовленный таким образом гидролизат называется суслом.
Кислый гидролизат нейтрализуется в зависимости от характера нейтрализуемого агента до pH 3,2—5,4. Во всех случаях необходимо нейтрализовать всю свободную серную и муравьи- ную кислоты. Этому соответствует pH 3,0—3,2. Наиболее часто свободную серную и муравьиную кислоты в гидролизате нейтрализуют известью, а час^ь остальных органических кислот ——аммиаком. Таким образом, на гидролизных заводах нейтрализация осуществляется в две ступени, вначале известью и затем аммиа- ком. Для нейтрализации гидролизатов известь применяется в виде известкового молока, представляющего собой суспензию гидрата окиси кальция в воде, содержащую около 150 г окиси кальция в 1 л.
Непрерывная нейтрализация гидролизата производится в вертикальных цилиндрических нейтрализаторах вместимостью от 34——100 м3. Горячий кислый гидролизат после инверсии центробежным насосом подается в нейтрализатор первой ступени, где он смешивается в необходимой пропорции с известковым молоком и раствором питательных солей. Из нейтрализатора частично нейтрализованный гидролизат поступает в нейтрализатор второй ступени, где он смешивается с аммиачной водой и где кислотность смеси доводится до заданного значения pH. Нейтрализованный и обогащенный питательными солями гидролизат центробежным- насосом подается в отстойник. Нейтрализованный гидролизат, освобожденный в этом отстойнике от взвешенных частиц, по сливной трубе поступает в сборник гидролизата. Да- лее горячий нейтрализат транспортируется в непрерывиодейст- вующую вакуум-охладительную установку, где охлаждается с 85—95 ℃ до 30—35 ℃. Охлажденный до 30—35 ℃ нейтрализат поступает в аэратор, где он обрабатывается распыленным воздухом» прн этом часть примесей коагулирует и образует хлопья. Аэрированное сусло из аэратора перекачивается в отстойник, где оно освобождается от образовавшихся взвешенных частиц и собирается в сборнике, откуда по мере необходимости поступает в следующий цех для биологической переработки.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУЛЬФИТНЫХ ЩЕЛОКОВДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
Растворяющиеся при сульфитном методе варки гемицеллюлозы и лйгнин древесины переходят в сульфитный щелок в виде продуктов, пригодных для дальнейшей переработки. В резуль- 142 *
тате гидролиза гемицеллюлоз н частично целлюлозы моносахариды и органические кислоты, доступные для биохимической утилизации,- а сульфонированный лигннн щелока представляет собой высокомолекулярное поверхностно-активное вещество. Комплексная переработка органических веществ сульфитного щелока позволяет наиболее квалифицированно использовать нецеллюлозные компоненты древесины с получением важных для народного хозяйства продуктов: белковых кормовых дрожжей, этилового спирта, жидкой и твердой углекислоты, растворителей н органических кислот, ванилина и сиреневого альдегида, дубителей и т. п. [10].
При сульфитной варке целлюлозы нормального выхода из древесины ели в щелоке присутствуют пять моносахаридов в следующем примерном- соотношении, %： гексозы — манноза 50, галактоза 15, глюкоза 5; пентозы — ксилоза 25, арабиноза 5. Концентрация РВ в сульфитном щелоке от варки еловой древесины' находится в пределах 2,5——3 %, концентрация уксусной кислоты 0,3—0,4 %. “
Задачей подготовки сульфитных щелоков к биохимической переработке, как и подготовки гидролизата, является полное превращение сахаров в моносахариды — питательные продукты для микроорганизмов ——и создание среды, обеспечивающей возможность их активной жизнедеятельности. Сюда включаются операции по удалению избытка двуокиси серы из щелока, его нейтрализации и обогащению питательными солями. ,
Подготовка щелока осуществляется следующим образом: щелок с целлюлозного завода собирается в сборнике сырого щелока. Затем он, подогретый в теплообменнике до 95—97℃, подается в специальную колонку, где продувается паром. Обработкой щелока паром достигается извлечение SO2 до 50 % общего содержания SO2 в щелоке н одновременное его облагораживание за счет удаления летучих компонентов (фурфурола и др.). Расход пара составляет 40—50 кг/м3 щелока. Для удаления избытка сульфата в щелоках на растворимых основаниях после обработки паром щелок окисляют кислородом воздуха, продуваемым через него в окислительном баке. Затем щелок поступает в нейтрализатор, где нейтрализуется известковым молоком вначале до pH 3,5. В емкостях-выдерживателях завершается процесс нейтрализации и происходит укрупнение частиц СаСО3' (шлама), которые затем легче осаждаются и удаляются при осветлении щелоков в отстойниках. Минеральные питательные вещества — раствор хлористого калия н вытяжку суперфосфата, необходимые для жизнедеятельности дрожжей, добавляют в вы- держиватель. Осветленный щелок до температуры 35—37 7С охлаждается в теплообменниках, нейтрализуется 25 %-ным раствором аммиака до pH 4,0—5,5, одновременно обогащаясь азотным питанием, и поступает в сборник щелока. Подготовленный
таким образом щелок, имеющий указанные параметры и обогащенный питательными солями, готов к биохимической переработке. Подобно гидролизату в гидролизном производстве его называют суслом или субстратом.
Глава?
БИОХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ГИДРОЛИЗАТАИ СУЛЬФИТНЫХ ЩЕЛОКОВ
Биохимическая переработка гидролизата и сульфитных щелоков ведется одинаково и заключается в использовании микроорганизмов для получения кормовых белковых дрожжей, этилового спирта и углекислоты, средой жизнедеятельности которым служит сусло.
ПРОИЗВОДСТВО БЕЛКОВЫХ ДРОЖЖЕЙ
Понятие о строении дрожжевой клетки в условиях ее жизнедеятельности. В основе производства кормовых белковых дрожжей лежит процесс выращивания одноклеточных микроорганизмов—дрожжеподобных грибков, или дрожжей [И]. Клетки имеют овальную или удлиненную форму размером 5—8 мкм в поперечнике. Дрожжевая клетка ограничена оболочкой, состоящей из грибковой клетчатки. Внутренность клетки заполнена протоплазмой, представляющей собой коллоидный раствор белковых соединений, синтезированных из аминокислот. В центре клетки расположено ядро, отделенное тонкой оболочкой и содержащее ядерный сок. Особенностью этих микроорганизмов является многообразие процессов их жизнедеятельности (метаболизма), а в зависимости от этого и многообразие продуктов, получающихся в результате обмена веществ (продуктов метаболизма). Дрожжи могут расти и накапливать биомассу, 50— 60 % которой составляет белок ——ценный питательный продукт для животных и человека; могут бродить, и тогда в среде их обитания будет накапливаться спирт; могут только дышать, и тогда' они будут только поддерживать свою жизнь, «сжигая» (окисляя) исходные продукты питания до углекислоты. Определенная направленность метаболизма дрожжей зависит от условий их культивирования и внешней среды.
При достаточном снабжении кислородом (воздухом) дрожжи продуцируют биомассу, белок; при недостатке кислорода они бродят; при большом избытке воздуха и недостаточном отборе приросших дрожжей они перестают расти, выделяя в основном углекислоту.
В производстве кормовых дрожжей используется первый из названных здесь типов метаболизма — обмен, при котором нара-
щивается биомасса с большим содержанием белка. Процесс наращивания дрожжей принят непрерывный. В качестве продуцентов белка применяют несколько видов микроорганизмов рода Candida: Candida scottii, Candida tropicalis, Candida utilis. Эти дрожжи отличаются друг от друга типом метаболизма и условиями, необходимыми для развития. Candida scottii ——небродящие дрожжи, они не образуют спирта из сахаров даже при недостатке кислорода； Candida utilis могут накапливать биомассу, если кислорода достаточно, и сбраживать сахара на спирт, если не хватает воздуха. Все они различаются по оптимуму температур, по способности расти при отсутствии биостимуляторов в среде.
Важные показатели производства дрожжей — выход их от исходных продуктов и производительность аппаратуры. Наиболее урожайные расы дрожжей при правильном ведении процесса могут давать выход биомассы 50—80 % от сахара; при несоблюдении некоторых условий выращивания дрожжей выход может падать до 30—20 %.
Технологическая схема дрожжевого производства. Процесс получения товарных дрожжей включает три основные стадии: выращивание, выделение дрожжей из бражки и их обезвоживание.
Выращивание биомассы осуществляется в дрожжерастиль- ных чанах (инокуляторах) и делится на два процесса: получение засевных дрожжей в отделении чистой культуры и выращивание товарных дрожжей. Выделение дрожжей происходит в две ступени: извлечение из бражки флотацией и сгущением на сепараторах. Процесс обезвоживания также состоит из нескольких операций: сначала дрожжи плазмолизуются, затем упариваются на выпарной установке и после этого окончательно высушиваются на распылительной сушилке.
Технологическая схема дрожжевого производства выглядит следующим образом (рис. 32). Чистая культура дрожжей, выращенная в лаборатории, засевается в малую дрожжанку /, где ведется выращивание периодическим способом. Затем дрожжи из малой дрожжанки подаются в большую 2, а из большой ——в малый инокулятор (засевной чан) 3. В нем выращивание дрожжей ведется непрерывным способом. Выращенные в отделении чистой культуры засевные дрожжи непрерывно подаются из малого ино- кулятора в производственный инокулятор 4. Сюда же поступают из сборника 19 сусло, воздух при помощи воздуходувки, питательные соли 6, аммиачная вода 5; пар отводится из конденсатора J8. Выросшие в инокуляторе дрожжи непрерывно отбираются в виде дрожжевой пены и самотеком поступают во флотатор /7. Здесь происходит расслоение пены на бражку без дрожжей и пену, обогащенную дрожжами по сравнению с той, что поступила из инокулятора. Пена гасится во внутреннем стакане флотатора. Полученная суспензия с концентрацией дрожжей 60—80 г/л отбирается из него насосом и подается для сгущения
зж 关 odpQ3工 3901
XAQC09
«^§& «мь§мтяо& BWQX3 KBXJahHJOKOHXOI zm6ud
П1Г0Э Э^Н^ЭШОШПи
08 %泡OQgH-SE^S« bDEUnh
на первую ступень сепарации 7, где . отделяется еще часть бражки. Суспензия после первой ступени сепарации (150— 250 г/л) поступает в промывной чан 16, куда для промывки дрожжей подается вода. Разбавленная водой суспензия подается насосом на вторую ступень сепарации 8, где происходит сгущение дрожжей до 51)0——600 г/л. Готовая дрожжевая суспензия промывается и насосом 15 подается в плазмолизатор 14. Сюда же подается пар. Здесь происходит подогрев суспензии до 80 ℃г при этом дрожжевые оболочки разрушаются, содержимое клеток вытекает, и суспензия становится более текучей. Плазмолиза? из сборника 9 поступает на вакуум-выпарную установку /0 для упаривания до концентрации 12,5 % сухих веществ. Упаренный плазмолизат подается в емкость /3, а затем на распыли* тельную сушилку 11, где высушивается в токе горячего воздуха до содержания влаги 8—10 %. Готовые сухие дрожжи из сушилки поступают на упаковку 12 и расфасовываются в бумажные мешки по 20—25 кг.
Факторы технологического режима. Рассмотрим основные факторы, обеспечивающие требуемое направление жизнедеятельности дрожжей и их максимальный выход.
Состав среды. Для выращивания в промышленности применяются три вида гидролизных сред: гидролизат, сульфитный щелок, сульфитно-спиртовая барда. Они служат источником основной составной части дрожжей — углерода. В процессе жизнедеятельности дрожжи усваивают углерод из таких входящих в состав гидролизных сред соединений, как сахара и органические кислоты (главным образом уксусная). Основное различие между этими средами заключается в количестве содержащихся в них питательных веществ и в соотношении сахара (РВ) и органических кислот. Так, в гидролизате содержится 3— 3,5 % РВ и только 0,3—0,45 % органических кислот. В барде содержится РВ 0,6——0,7, органических кислот ——около 0,2 %. Состав сахара сульфитных щелоков, барды и гидролизата также различен. В барде содержатся только пентозные сахара, в гидролизате и щелоке около 20 % сахаров составляют пентозы^ около 80 % гексозы.
Состав питательных солей и количество их н а единицу р асхода среды. Для нормального развития дрожжей на какой-либо питательной среде необходимо, чтобы эта среда содержала источники всех элементов, которые входят* в состав дрожжевой клетки. Поэтому все питательные среды обогащаются такими элементами питания, как азот, фосфор, калий, магний и т. д. Все элементы задаются в виде солей в определенном количестве. Для обеспечения выхода дрожжей от РВ 50 % следует задать азота не менее 4 % и Р2О52 % отРВ, или с учетом необходимого избытка — 5 % азота и 2,5 % Р2О5 от РВ сусла. Соли дозируются в сборник сусла или инокуляторы в виде водного раствора, в котором отдельные элементы находятся в том соотношении, в каком их надо задать для дрожжей.
Форма соединении — источников отдельных элементов питания. Форма соединений имеет большое значение, так как не из любого соединения одинаково хорошо дрожжи утилизируют нужные элементы. В гидролизной промышленности используют следующие химикаты — источники питательных солей: аммиачную воду (с содержанием азота 16—— 20 %); сульфат аммония (с содержанием азота 20 %); диаммонийфосфат с содержанием 50 % усвояемой Р2О5 и 13,5 % азота; суперфосфат 19—20 % Р2О5； хлористый калий — 61 % калия в пересчете на К2О.
Кислотность (pH) среды. Оптимальным pH, при котором дрожжи, быстро развиваясь, дают высокий выход биомассы, принимается 3,8—4,6.
Температура. Оптимальная температура выращивания дрожжей зависит от их расы. Для принятых в промышленности культур она находится в пределах, ℃: Candida scottii 37— 38; Candida tropicalis 34—36; Candida utilis 30—32.
Время роста. Время роста дрожжевой клетки определяет выход дрожжей от РВ и производительность инокулятора. При соблюдении режима, отвечающего поддержанию оптимальных параметров для удвоения биомассы дрожжей, достаточно 2 ч. Практически на гидролизных средах время роста дрожжей находится в пределах 3,5—5 ч, принимая меньшее значение для выращивания на средах с содержанием РВ меньше 1 % и большее значение при выращивании на средах с РВ 2—3 %.
Расход воздуха и производительность ино - кул ято р а. Воздух является источником кислорода и одновременно служит для перемешивания содержимого инокулятора. В промышленности расход воздуха принят около 25 м3 на 1 г товарных дрожжей. На заводах эта цифра колеблется от 17 до 40 м§/т.
Инокуляторы с аэрлифтиой системой распределения воздуха обеспечивают высокую производительность. В промышленности достигнута выработка товарных дрожжей на инокуляторах вместимостью 320 м3 5 т в сутки, а на инокуляторах вместимостью 600 м3 9—10 т в с*ткн.
ПРОИЗВОДСТВО ЭТИЛОВОГО СПИРТА И УГЛЕКИСЛОТЫ
Э т и л о. в ы й спирт получают переработкой гидролизатов и сульфитных щелоков от варок древесины хвойных пород, содержащих гексозные (сбраживаемые) моносахариды. Спиртовое брожение осуществляется с помощью фермента зимазы (спиртообразующих дрожжей), расщепляющего гексозные сахара до этилового спирта и углекислого газа: СбН1206 f 2c2H50H书2cО?.
Из суммарной реакции спиртового брожения следует, что из 110 кг гексоз может быть получено 51,14 кг этиловогох спирта, или при плотности спирта 0,792 г/см3 и температуре 15 °C —— 69,34 л. Реальный же выход вследствие побочных реакций не
превышает 61 л (по бражке). При этом в бражке наряду с этиловым содержится от 4 до 7 % метилового спирта. Брожение проводят непрерывным методом при температуре 32—35 ℃ в бродильной батарее, состоящей из двух параллельно работаю- щнх головных чанов и одного, дображивающего (хвостового} чана- Вместимость каждого чана в среднем равна 300 м3. Для улавливания образующегося углекислого газа головные чаны закрывают.
Прн брожении сусло непрерывно подается сверху в головные qa?bi и смешиваются в них с непрерывно поступающей дрожжевой суспензией. Концентрация дрожжей в этих чанах 15— 20「/』(в пересчете на прессованные). Бродящую жидкость из головных чанов непрерывно подают в дображивающий чан, в ко тором завершается процесс брожения, и далее на сепараторах отделяют дрожжи от сульфитно-спиртовой бражки, содержащей спирт в концентрации 1—1,3 %. Отделенную на сепараторах дрожжевую суспензию возвращают в головные чаны; сульфитио- спиртовую бражку направляют в брагоректификационное отделение. Продолжительность брожения 6—8 ч.
Отгонка и очистка спирта осуществляются в брагоректификационном отделении, где имеются перегонные и ректификацион-* НЫе колонны. В общем случае процесс представляется отгонкой спиртовой фракции (этиловый и метиловый спирт) паром в бражной колонне. Обесспиртованное сусло (спиртовая барда) поступает в дрожжевой цех, а спиртовой конденсат направляют в специальную колонку (эпюрационную) для удаления из него эфиров и альдегидов и затем направляют в спирторектификационные колонны. В этих колоннах этиловый и метиловый спирты разделяют, концентрируют, очищают и получают на выходе товарные продукты.
При спиртовом брожении образуется в качестве побочного продукта углекислый газ в количестве 96 % массы спирта. Этот газ улавливают и после очистки превращают в жидкую или твердую углекислоту. Выход продукта составляет 50—60 % теоретического. Производство углекислоты высокорентабельно.
Выходящий из бродильных чанов газ собирают в газгольдере. Технология получения жидкой углекислоты включает операции очистки, компримирования и конденсации газа. Для очистки газа его последовательно пропускают через ряд колонок, в которых окисляют разбавленным раствором КМпО4 содержащиеся в углекислоте летучие органические вещества, промывают газ водой, обезвоживают его в слое древесного угля и освобождают от пах- нущих примесей, сорбирующихся на активном угле.
Очищенный газ сжимают в компрессоре в три ступени, последовательно увеличивая давление до 490, 1770 и 7000 кПа, охлаждая в холодильнике и дополнительно очищая его после каждой ступени сжатия. Сухой, углекислый газ, сжатый до 7000 кПа, охлаждают водой и при критической температуре 27,8 ℃ конденсируют в жидкость, которой заполняют баллоны.
Глава 8ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИГИДРОЛИЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Дрожжевое производство. При гидролизе из 1 т абс. сухой древесины (а. с. д.) получают 450 кг сахаров, 400 кг лигнина, 80 кг фурфурола и 70 кг гуминовых веществ. Следовательно, если выход дрожжей от общих РВ составляет 50 %, то выход товарных дрожжей из 1 т абс. сухой хвойной древесины составляет 225 кг, лиственной ——215 кг.
Расход хвойной древесины на 1 т товарных дрожжей равен ； 4,6 т (в расчете на абс. сухую древесину), а лиственной—、 4,8 т. Кроме того, на 1 т товарных дрожжей расходуется: тепла Е (технологического пара) около 11 Гкал, электроэнергии : 1700 кВт*ч, серной кислоты 360 кг, извести 170 кг, аммиака j 25.%-ного 540 кг, свежей воды 90 м3. Выход товарных дрожжей 号 при выращивании их на сульфитном щелоке от варки целлю-鼻 лозы нормального выхода из древесины ели в среднем равен 45 % общих РВ. Следовательно, выработка дрожжей на 1 т целлюлозы может достичь 100—ПО кг.
Спиртовое производство. В гидролизном производстве из древесины хвойных пород получают 150——180 кг 100 %-ного этилового спирта из 1 т а. с. д. Выход спирта из 100 кг сбраживаемых РВ в большинстве случаев равен от 55 до 62 л. Если принять себестоимость этилового спирта, полученного из сельскохозяйственного сырья1 (картофеля, зерна), за 100 %, то себестоимость гидролизного спирта составит 70 %, сульфитного 42 % и синтетического 26 %.
В табл. 18 приведены данные по выходу продукции и отходов (кг) в гидролизном производстве в расчете на 1 т абсолютно сухого сырья.
ТАБЛИЦА 18
Продукция и отходы
3-авод
спиртодрожжевого профиля
дрожжевого профиля
Спирт этиловый (абсолютный
175
алкоголь)
Дрожжи (абсолютно сухие)
29
200—210
Фурфурол-сырец (94%)
5,6
5,6
Углекислота жидкая
Метанол
2,0
2,0
Сивушные масла ,
,0,3
Лигнин (абсолютно сухой)
380
Шлам (абсолютно сухой)
225
Остаток из инвертора
50
150
Раздел IV
ТЕХНОЛОГИЯЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Современная лесохимическая промышленность СССР ——это важная отрасль химической переработки древесины, объединяющая разнообразные производства, основой которых являются: термическое разложение древесины (пиролиз) и канифольноскипидарное производство.. В нее включается также 《малая лесохимия», использующая, в частности, живые элементы дерева, и некоторые другие производства.
Глава 9
ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ
Пирол из древесины основан на способности сложного комплекса органических веществ древесины разлагаться на более простые без доступа воздуха, при воздействии высокой температуры. В результате этого процесса получают твердые, жидкие и газообразные продукты. Процесс пиролиза древесины осуществляется в специальных аппаратах (ретортах). Твердым продуктом процесса пиролиза является древесный уголь, остающийся в реторте в виде твердого остатка после завершения пиролиза древесины. Жидкие и газообразные продукты выделяются совместно в виде сложной парогазовой смеси, которая при последующем охлаждении разделяется на жидкий конденсат (жижку) и неконденсируемые газы.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТОВАРНЫХ ПРОДУКТОВПИРОЛИЗА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Древесн ы й уголь. Является твердым продуктом процесса пиролиза древесины. При пиролизе в одинаковых условиях древесина различных пород дает уголь почти одинакового качества. При обычной температуре пиролиза 400——450 ℃ уголь из древесины ели, пихты, березы и осины получается с содержанием (%) углерода 80,8—81,4, водорода 3,9—4,1, кислорода (вместе с азотом) 14,7—15,3. При температуре пиролиза 500 ℃ содержание (%)' углерода в угле повышается до 89, при 600℃ — до 92, при 1000 °C — до 97. Качество угля считается хорошим, если
масса 1 м3 березового угля нормальной влажности будет не менее 175 кг, осинового—140, соснового—135, елового—120 кг.
Основным потребителем угля является химическая промышленность, вырабатывающая, различные виды активированных углей и потребляющая почти одну треть производимого угля. Около 25 % угля идет на производство сероуглерода, который в основном используется для выработки искусственного (вискозного) шелка. Примерно 25 % угля потребляет металлургическая промышленность для производства цветных металлов, ферросплавов и для смазки в прокатных печах. Развитие полупроводниковой техники повлекло большую потребность в древесном угле для производства кристаллического кремния. Небольшое количество угля используется в сельском хозяйстве для добавки в корм птице и скоту.
Широко используется в технике высокая адсорбционная способность древесного угля, объясняемая его пористостью. Т&к先 пористость древесного угля елового, березового, осинового при плотности 271, 424 и 309 г/дм3 соответственно равна 85, 77 и 83 %. Высокая адсорбционная способность древесного угля является причиной его частых самовозгораний. Это нежелательное явление объясняется лавинообразным автоокислением угля на воздухе вследствие химического поглощения кислорода и быстрым повышением температуры. Самовозгоранию угля способствует высокое содержание летучих веществ (до 30 %)—продуктов пиролиза древесины. Для стабилизации угля против самовозгорания предложен способ его охлаждения воздухом в тонком слое и увлажнение перед погрузкой в вагоны.
Древесный, уголь имеет высокую теплоту сгорания, которая для обычной температуры пиролиза (400—450 ℃) составляет около 30 000 кДж/кг. На этом основано его широкое использова- иие в качестве топлива. В настоящее время спрос на древесный уголь постоянно растет, однако промышленность пиролиза пока полностью не удовлетворяет потребность народного хозяйства в этом ценном продукте. Ежегодный выпуск древесного угля в СССР составляет 200 тыс. т；
Уксусная кислота является важнейшим продуктом народного хозяйства. В пищевой промышленности применяется только лесохимическая уксусная кислота. Поэтому ее производство продолжает развиваться.
Выработка лесохимической уксусной кислоты достигает 40 тыс. т в год. Около 60 % уксусной кислоты -расходуется на производство искусственного шелка (ацетатного), примерно 30 %—на получение сложных эфиров (этилацетата и бутилацетата), применяющихся .в качестве растворителей в лакокрасочной и других отраслям промышленности, остальные 10 %一 расходуются в пищевой (консервирование), текстильной (протравка), химической (гербициды, пластмассы, красители и др.), фармацевтической и других отраслях промышленности. Из хорошо очищенных сортов получают ледяную, пищевую и реактивную 152
уксусную кислоту. Ледяная 98——99 %-ная уксусная кислота затвердевает при 15——16 ℃ в прозрачные «ледяные» кристаллы.
В отличие от природной смолы двойных деревьев (живицы) смолы, образующиеся в процессе пиролиза древесины, называют пирогенными смолами. Различают отстойную и растворимую смолы, объединяемые под названием суммарные смолы. Примерная потребность в этих смолах превышает 80 тыс. т отстойной и более 25 тыс. т растворимой.
При переработке отстойной смолы получают масла для флотации цветных металлов и ингибитор, применяющийся в качестве антиокислителя при стабилизации крекинг-бензинов (повышает качество автомобильных и авиационных бензинов) и в качестве антиполимеризатора для регулирования степени полимеризации синтетического каучука. Из растворимой смолы получают кренн- >тели и фенолы, которые применяют в производстве фенолформальдегидных смол, гербицидов и т. д.
Спиртовые продукты представляют собой смесь легко- кипящих растворител-ей, отгоняемых из жижки. Эти продукты представлены главным образом метиловым спиртом, небольшим содержанием этилового спирта, альдегидов и кетонов. Наибольшую ценность представляет метанол, большей частью перерабатываемый на формальдегид.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И ОСНОВЫ ТЕОРИИПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
На рис. 33 показана принципиальная схема пиролизного производства и приведен примерный материальный баланс выхода основных продуктов пиролиза из 1 скл. м3 древесины.
%%■ Рис. 33. Технологическая схема пиролиза древесины■ Рис. 33. Технологическая схема пиролиза древесины"2 а.с. 3."2 а.с. 3.Газы '50 м^(90кг)\Газы '50 м^(90кг)\23。<223。<2Уголь 77。/<8Уголь 77。/<8Отстойная смола 20 кгОтстойная смола 20 кг7 скл. И'45。ке В〃а7 скл. И'45。ке В〃а4*и*ка 25。хг4*и*ка 25。хгСпиртовыепродукты 75 каСпиртовыепродукты 75 каСточная вода 180 кеСточная вода 180 кеКислота 15 каКислота 15 каЗкстрак0tионнааЗкстрак0tионнаа№1В№1ВКислаяКислаявода 215 кгвода 215 кгсмола 5 кг Растборимоа . смола 75 кгсмола 5 кг Растборимоа . смола 75 кг
%
%
■ Рис. 33. Технологическая схема пиролиза древесины
■ Рис. 33. Технологическая схема пиролиза древесины
"2 а.с. 3.
"2 а.с. 3.
Газы '50 м^(90кг)\
Газы '50 м^(90кг)\
23。<2
23。<2
Уголь 77。/<8
Уголь 77。/<8
Отстойная смола 20 кг
Отстойная смола 20 кг
7 скл. И'
45。ке В〃а
7 скл. И'
45。ке В〃а
4
*и*ка 25。хг
4
*и*ка 25。хг
Спиртовыепродукты 75 ка
Спиртовыепродукты 75 ка
Сточная вода 180 ке
Сточная вода 180 ке
Кислота 15 ка
Кислота 15 ка
Зкстрак0tионнаа
Зкстрак0tионнаа
№1В
№1В
Кислая
Кислая
вода 215 кг
вода 215 кг
смола 5 кг Растборимоа . смола 75 кг
смола 5 кг Растборимоа . смола 75 кг
После пиролиза древесины в реторте J при температуре 400— 500 ℃ из нее получают уголь и парогазовую смесь, которая, пройдя конденсатор 2, разделяется на неконденсируемые газы и жижку, собираемую в отстойнике 3. В отстойнике от жижки отделяется отстойная смола, и жижка подается в ректифика-
ционную колонну 4, где разделяется на кислую воду и спиртовую фракцию. Затем кислая вода в испарителях 6 отделяется ог растворимой (кубовой) смолы и поступает на извлечение из нее уксусной кислоты в экстрактор 5. Состав и количество продуктов термического разложения зависят от температуры, продолжительности процесса, метода нагрева древесины и породы древесины. Химизм и механизм процесса- пиролиза древесины до сих пор полностью не выяснен.
Процесс пиролиза древесины разделяют на четыре стадии：
сушка древесины до температуры 120—150 ℃ за счет подвода тепла из вне; сопровождается удалением из древесины воды и изменением ряда компонентов древесины, что существенно сказывается на последующем процессе пиролиза;
начало разложения древесины происходит при температуре 150—275 °C и сопровождается распадом меиее стойких ее составных частей; на этой стадии, идущей с подводом тепла, образуются углекислый газ, окись углерода, уксусная кислота и ряд других веществ;
образование и испарение основного количества продуктов разложения древесины происходит при температуре 275—450 ℃, сопровождается бурным выде- лением тепла (экзотермический процесс); при этом выделяются большие количества СО, СОа, СН&, эфиров, карбонильных соединений, углеводородов, уксус- • иой кислоты, ее гомологов и метанола, а под конец начинается удаление смолы;
прокаливание древесного остатка; протекает при температуре 450—550 °C за счет дополнительного подвода тепла извне; в этот период выделяется и удаляется тяжелая смола, а также СО2, СО, Н2 и углеводороды； на этой стадии процесс пиролиза заканчивается^ остаток после его завершения представляет собой древесный уголь.
В действительности указанные стадии резко не разграничиваются. Так, в стадии прокаливания угля и при более высоких температурах процесс разложения продолжается.
Продукты разложения древесины удаляются из реторты в виде сложной парогазовой смеси. При охлаждении парогазовой. смеси в конденсаторах она разделяется на жидкий конденсат и неконденсируемые газы. Таким образом, в результате пиролиза древесины получают уголь, жидкий конденсат (жижку) и газы. Жижка при отстаивании разделяется на два слоя: верхний водный слой——отстоявшаяся жижка и нижний ——отстойная смола. ,
Выход продуктов пиролиза значительно колеблется в зависимости от величины кусков древесины, ее влажности, температуры процесса, его продолжительности. В среднем для обычных пород древесины выход составляет, %: угля 30—35, жижки 45— 50, газов 15——20. При этом выход уксусной кислоты для хвойных пород равен 2,5——3 %, для лиственных от 4 до 7 %, выход метанола соответственно 0,7—0,9 и 1—2 % массы а. с. д. [10, 12].
ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ЕГО ПОДГОТОВКАК ПИРОЛИЗУ
Сырьем для пиролиза чаще всего является специально заготовляемая технологическая древесина, или дрова, а также древесные отходы [12]. Заготовленную в лесу древесину достав- 154 ■.
ляют/а лесной склад предприятия, где осуществляют ее разделку на полеиья длиной 1 м и подготовку к пиролизу. При ео тественной сушке дров на складе следовало бы иметь 12-месяч- ный их запас, тогда как при искусственной сушке, осуществляемой сейчас на всех предприятиях, достаточно 3—4-месячного запаса.
Разделка древесины ведется поточным методом на основе комплексной механизации вс^х операций. При такой организации производства производительность труда увеличивается не менее чем в 2 раза. В последние годы почти все заводы перешли на хранение дров в кучах, что позволило уменьшить площадь, занимаемую складками, и механизировать погрузочно-разгрузочные работы. При хранении дров в кучах максимальный их объем равен 50 тыс. м3 плотной массы древесины при высоте до 14 м. Ширина прямоугольных куч или диаметр круглых куч не более 50 м.
Дрова для пиролиза разделяют по породам на две группы: твердолиственные (береза, бук, ясень, граб, нльм° вяз, клен, дуб) и мягколиственные (осина, ольха, тополь, ива). Наиболее при- годны для пиролиза дрова первой группы. Опыт показал, что дрова лиственных пород лучше хранить в окоренном и расколотом виде, устраивая под кучи соответствующие основания и приспособления для проветривания..
Кроме дров, для термического разложения можно применять отходы деревообрабатывающей промышленности и лесозаготовок, которые по химическому составу мало отличаются от стволовой древесины и по существу представляют полноценное технологическое сырье. Наибольший выход уксусной кислоты дают твердолиственные породы (дуб, бук, клен, береза), меньше мягколиственные (осина, липа и др.) и еще меньше хвойные. В уксуснокислотном ^производстве используются главным образом береза, бук, частично допускается осина и некоторые другие лиственные породы.
ТЕХНИКА ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ
Пиролиз древесины осуществляют в ретортах. Применяемые для пиролиза аппараты подразделяют по принципу действия —— периодического, непрерывного, полунепрерывного действия и по принципу обогрева — аппараты с наружным и внутренним обогревом.
Наиболее распространены в промышленности аппараты полунепрерывного действия, в которые древесину загружают периодически, небольшими порциями через определенные промежутки времени. Отбор парогазовой смеси осуществляют непрерывно, а выгрузку угля — периодически, порциями. В промышленной практике такие аппараты называют непрерывнодействующими. г ,
Аппараты с наружным обогревом. Подвод тепла к древесине
осуществляется через железные стенки реторт, обогреваемые горячими дымовыми газами. Тепло к древесине от стенок внутри аппарата передается лучистым тепловым потоком.
Аппараты с внутренним обогревом. В этих аппаратах, получивших наибольшее распространение, тепло передается к древесине от теплоносителя при непосредственном контакте. Теплоноситель (горячие топочные газы) принудительно подается внутрь аппарата. При таком методе обогрева пиролиз протекает в более мягких условиях, продукты разложения быстрее уносятся током теплоносителя из аппарата и лучше сохраняются от дальнейшего разрушения, однако концентрация продуктов разложения в парогазовой смеси в 6—10 раз меньше чем в аппаратах с наружным обогревом. Это обстоятельство является одним из основных недостатков в их работе. В аппаратах непрерывного действия все четыре стадии процесса пиролиза протекают в одно и то же время: в верхней зоне аппарата ——сушка, ниже — прогрев древесины до температуры разложения, в средней ——разложение древесины, в нижней ——прокаливание и охлаждение угля.
Пиролиз древесины в вертикальных непрерывнодействующих ретортах. Вертикальными ретортами в настоящее время оснащают как старые, так и вновь строящиеся заводы пиролиза древесины. В реторте процесс пиролиза идет непрерывно при полунепрерывной загрузке древесины небольшими порциями в верхнюю часть, полунепрерывной выгрузке охлажденного древесного угля небольшими порциями снизу реторты и непрерывной циркуляцией теплоносителя, обычно топочных газов, получаемых при сжигании в газовой топке нефтяного топлива и не- конденсирующихся газов реторты.
Реторта представляет собой цельносварной стальной цилиндр с внутренним диаметром 2,6——2,9 м и толщиной стенок 14 мм; имеет вверху загрузочное устройство для древесины и внизу конусную часть и выгрузочное устройство для угля. Общая высота реторты 24 м. Реторта оснащена четырьмя патрубками: первый, верхний, для вывода парогазовой смеси, второй для ввода теплоносителей, третий для отвода нагретых газов из зоны охлаждения угля, четвертый, нижний, для ввода холодных газов, охлаждающих уголь. Для обеспечения равномерного распределения теплоносителя по сечению реторты, а также для равномерного охлаждения угля в реторте установлены два изготовленных из листовой стали усеченных конуса: один — в зоне подвода теплоносителя, другой ——в зоне отвода нагретых газов, прошедших слой угля.
Для обеспечения равномерной усадки слоя древесины и угля в нижней части реторты установлен по ее центру подвесной или неподвижный конус. Этот конус задерживает движение столба древесины, угля и, кроме того, уменьшает давление на выгрузочное устройство. Снаружи реторта хорошо теплоизолирована. Технологический процесс ретортного цеха, оснащенного вертикальными ретортами, объединяет процессы сушки и пиро- 156
лиза древесины, охлаждения и конденсации жидких продуктов, охлаждения газа и угля, получения теплоносителя.
Дрова с биржи сырья вагонетками подаются по узкоколейному железнодорожному пути в разделочное отделение. На вагонетках дрова уложены пачками, что позволяет механизировать их подачу в бункер-питатель слешерной установки. Из бункера- питателя поленья подаются на слешер, причем поленья предварительно раскалываются на цепном колуне. После слешера чурка длиной 290 мм подается ленточными транспортерами и скиповыми подъемниками в шахтные прямоточные сушилки объемом от 80 до 200 м3. Чурка загружается в сушилку через верхний тележечный гидравлический затвор, открываемый при движении скипа. Уровень чурки контролируется механическими уровнемерами.
Теплоноситель (дымовые газы котельной) подается при температуре 180—240 ℃ в верхнюю часть сушилки, а отработанный теплоноситель отводится снизу при температуре до 100 ℃ (в случае малого содержания кислорода в дымовых газах их температуру можно повысить до 300 ℃). Сухая чурка (влажностью 20—25 %) выгружается периодически через выгрузочное устройство и подается ленточным транспортером в ковш скипового подъемника реторты. В реторте древесина окончательно высушивается, пиролизуется, образовавшийся уголь прокаливается и охлаждается. Теплоноситель нагревается за счет тепла о? сжигания в топке неконденсирующихся газов, дизельного топлива или генераторного газа. Если (при замедленном процессе в реторте) неконденсирующихся газов недостаточно, добавляют генераторный газ. Температура теплоносителя при входе в среднюю зону реторты составляет 500—600 ℃.
Древесина по мере обугливания опускается сверху вниз в шахте реторты. Древесный уголь ниже зоны подвода теплоносителя охлаждается потоком холодных неконденсирующихся газов, подаваемых в низ реторты, после чего выгружается через шлюзовые затворы в ковш скипового подъемника. Нагретые не- конденсирующиеся газы из-под второго конуса (считая сверху) отводятся газодувкой в топку реторты для получения теплоносителя; избыток газа сбрасывается в атмосферу. Таким образом, нижняя часть реторты является как бы экономайзером, позволяя утилизировать тепло раскаленного угля.
Парогазовая смесь вместе с поступившим в реторту теплоносителем выходит из реторты через верхний патрубок и подводится сначала в форконденсаторы, а затем последовательно проходит трубчатые конденсаторы. Выделяющаяся жижка поступает в сборник. Неконденсирующиеся газы после трубчатых конденсаторов нагнетаются газодувкой в пенный аппарат, где обрабатываются водой для извлечения низкокипящих веществ. После чего газы направляются в зону охлаждения угля.
В вертикальной реторте во избежание подсосов воздуха поддерживается небольшое избыточное давление: вверху 0,4— '157
0,6 кПа, в середине 2—3; внизу 1,8—3, в нагревательном *пат- рубке газодувок 5,5—19 кПа. Перед газодувкой находится зона разрежения, 4——5 кПа. Температурный режим реторты, ℃, следующий: снизу 20——50, под вторым конусом 120——130, в зоне прокаливания угля 500—550, в зоне переуглнвания 280—450, в зоне подсушки дров 200—280. Парогазовая смесь по выходе из реторты имеет температуру ПО—17G℃. Суточная производительность реторты 150—165 м3 дров. Средний выход древесного угля (без” угольной мелочи) из 1 м3 пнролнзованных дров (по 1пронзводственным данным) равен 137 кг, кислот в жижке (по общей кислотности в пересчете на уксусную кислоту) -~37, кнс- 1Лот в жижке (по летучим кислотам)——33, товарной уксусной кислоты — 26,成 смолы — 63 кг. При повышении температуры производительность реторты по количеству переугленной древесины повышается, а выход кислот нз 1 м3 древесины снижается.. Кислотность жижкн 10—13 %.
Все основные операции технологического процесса вертикальной реторты, начиная с загрузки древесины> в сушилки и кончая выгрузкой угля, механизированы, при этом механизмы оснащены электроприводами, что создает возможность автоматизации этих отГераций. Выгрузка угля из. реторты производится время специальными механизмами, образующими шлюзовой затвор н срабатывающими поочередно снизу вверх. Сначала открывается ннжний выгрузочный затвор, и порция угля пересыпается из межзатворной емкости реторты в ковш скипового подъемника; затвор закрывается. Затем открывается второй выгрузочный затвор, н порция угля пересыпается из промежуточной емкости, имеющейся над этим затвором, в межзатворную емкость; затвор закрывается. Наконец, открывается игольчатый затвор, и порция холодного угля пересыпается из реторты в промежуточную емкость под выгрузочным затвором. Игольчатый затвор закрывается и отсекает порцию угля от реторты； на этом цикл выгрузки угля заканчивается. ，
ПЕРЕРАБОТКА ПРОДУКТОВ ПИРОЛИЗА
Переработка древесного угля. Характеристика н применение древесного угля уже рассматривались в § 29. Из многочисленных способов переработки угля наибольший интерес представляют активирование и брикетирование древесного угля.
Активированным древесным углем называют продукт, получаемый прокаливанием древесного угля в течение 45—60 мин парогазовой смесью с температурой 800—950 ℃, активирующим вачалом которой является химически связанный кислород. В результате такой обработки во много раз повышается пористость древесного угля и его поглощающая способность. Благодаря этому активный уголь широко применяют для обесцвечивания жидкостей в спирто-водочном, сахарорафинадном и других производствах, для поглощения паров растворителей из воздуха производственных помещений; он является обязательной составной частью противогаза и т. д.
Древесный^ уголь, особенно угольная мелочь, является малотранспортабель* иым материалом; при транспортировке и перевалках уголь сильно измельчается и теряется в виде пыли. Брикетирование угля с применением связующих веществ лишено этого недостатка. В качестве связующих могут быть применены полностью или частично растворимые в воде (декстрин, крахмал, растворимая смола, сульфитио-спиртовая барда или последрожжевая бражка) и нерастворимые (отстойная смола, древесно-смоляной пек в смеси со смолой и др.}, вещества. Брикеты предназначаются для использования в кузнечном и литейном производстве, в сфере общественного питания и др.
Переработка жижки. Жижка, или сырая жнжка, имеет плот* ность 1,02——1,03 г/см3. Она содержит разнообразные органические вещества, как растворимые, так и нерастворимые в воде. Некоторые из нерастворимых в воде веществ способны раство- ряться в жижке, другие, находятся в ней в суспендированном состоянии (в виде мельчайших взвешенных капелек). При отстаивании они отделяются от водного слоя, образуя отстойную смолу, собирающуюся в ннжней части отстойника. Кроме того,* при пиролизе дров некоторых пород древесины, особенно березы и осины, образуется небольшой слой масел, всплывающих на поверхность жижки, по составу близких к дегтю. Эти масла образуются вследствие разложения коры. Кроме отстойной смолы, в сырой жижке содержатся растворимые смолы, которые выделяются в процессе последующей переработки жижкн, при ее пе* регонке. Состав жнжки зависит от породы пйролизуемой древесины, ее влажности и условий ведения процесса (табл. 19).
ТАБЛИЦА 19
Компоненты, %
Береза
Ель
Компоненты, %
Береза
Ель
Кислоты
5,63
2,88
Смола раствори-
4,23
4,93
Метиловый спирт Сложные эфиры Кетоиы
2,28
3,60
1,09
1,05 2/1 0,79
мая
Смола отстойная Вода (по разно-
6,70
75,63
5,65
82,25
Альдегиды
0,65
0,19
0,20
0,14
сти)
Ненасыщенные соединения
Всего
100,0
100,0
Выход жижки из 1 м3 пиролизуемой древесины зависит от влажности исходной древесины, ее породы, качества и n』et-‘ ности. Выход жнжки из твердолиственных пород древесины больше, чем прн переработке мягколиственных и хвойных пород такой же влажности. Например, при пиролизе березы влажностью 33 % выход жижки составил 446 кг, а при пиролизе ели той же влажности, ввиду меньшей плотности еловой древесйдау.
только 334 кг. …
Как видно из табл. 19 состав жижки представлен большим разнообразием органических веществ. Ввиду сложности состава я большого различия в свойствах составляющих компонент^；
выделение нх из жижки представляет собой отдельные сложные стадии производства, подробное рассмотрение которых выходит за рамки данного курса. В общем случае в переработку жижки включаются следующие производства: уксуснокислотное, древесноспиртовое и переработка древесных смол. На Г м3 пиролизуе- мой древесины содержание в жижке этих продуктов следующее, кг: уксусной кислоты 18——22, спиртовых продуктов 7—10, отстойной смолы 22——29. Схемы переработки жижки отличаются методом выделения уксусной кислоты, однако все схемы предусматривают. вначале отстаивание для отделения отстойной смолы и отгонку легкокипящей части — древесного спирта (спирты, кетоны, сложные эфиры уксусной кислоты, альдегиды, которые кипят при температуре не выше 60 ℃). Затем перегонкой жижки отделяют растворимую смолу. Часто в целях экономии расхода пара уксусную кислоту выделяют без предварительного отделения растворимой смолы.
Уксуснокислотное производство. Обессмоленная и обесспирто- ванная жижка представляет собой слабый водный раствор уксусной кислоты и ее гомологов. Концентрация кислот в жижке обычно не превышает 10 %. Технология дальнейшей переработки сводится к выделению уксусной кислоты； ее укреплению и очистке от примесей. Выделение кислоты осуществляют тремя методами: по|рошковым, азеотропным и экстракционным,
В порошковом методе уксусную кислоту переводят в уксуснокальциевую соль, раствор выпаривают и высушивают соль. Затем порошкообразную соль разлагают сильной минеральной кислотой. Освободившуюся уксусную кислоту отгоняют, укрепляют и очищают.
Азеотропный метод основан на обезвоживании жижки при помощи антре- нера, в качестве которого используют бутил ацетат, бутиловый спирт или древесно-спиртовые масла. Антренер с водой образует азеотропную смесь (смесь, кипящую при постоянной температуре), кипящую при 90——95℃ и благодаря этому отгоняющуюся из жижки с малой кислотностью (0,2——0,5 %). Жижка с содержанием кислот 40—45 %, смол не более 30 % и воды не более 35 %, носящая название черной кислоты, поступает на последовательную перегонку с получением технической уксусной кислоты (крепость 70—80 %), ректификацию технической кислоты с получением ледяной и пищевой кислот. Обрабатывая ледяную уксусную кислоту перманганатом калия, получают кислоту с высшей степенью очистки — реактивную уксусную кислоту. В процессе азеотропного метода переработки жижкн улавливают экстракционную смолу.
В экстракционном методе уксусную кислоту из жижки выделяют экстракцией на холоде органическими растворителями: этилацетатом, диэтиловым эфиром и, в последнее время, диизопропиловым эфиром, в непрерывнодействующих вертикальных колоннах-экстракторах. Из ретортного цеха жижку без отделения отстойной смолы подают на обесспиртовывающий аппарат, где от нее отделяется спиртовая фракция. После обесспиртовывания жижку охлаждают и отстаивают для удаления отстойной смолы. Затем жижка подается в экстрактор, в котором нз нее каким-либо из приведенных растворителей экстрагируется уксусная кислота н в виде эфирокнслоты направляется на отгонку растворителя и выделенке черной кислоты. Извлеченная уксусная кислота-сырец, кроме кислот (их концентрация 7——8 %), содержит также масла, смолы и другие примеси. Для получения товарных сортов кислоты сырец необходимо укрепить н освободить от примесей. Для этого его подвергают ректификации на колонных аппаратах. Отстойная и экстракционная смолы, отделенные в аппаратах, поступают в смолообезвоживающнй аппарат для отделения кислой воды.
Все три метода производства уксусной кислоты1 применяются на лесохимических заводах. Наиболее экономичным и распространенным являются экстракционный и азеотропный методы. По сравнению с ними себестоимость уксусной кислоты, полученной порошковым методом, примерно в 1,5 раза выше.
Древесноспиртовое производство. Древесный метиловый спирт (метанол) получают при переработке спиртовой фракции, выделяемой при обесспиртовывании жижки. Вначале из нее отделяют спиртовые масла, всплывающие при разбавлении ее водой до 20—30 %. Затем раствор ректифицируют и получают головные фракции — укрепленный, или технический, метанол ——и хвостовые погоны. Из головных фракций вырабатывают древесноспиртовые растворители, а из хвостовых погонов и масел можно извлекать остаточные спирты и тяжелые масла для выработки антренера, фурфурола. Укрепленный метанол подвергают ректификации и химической очистке для получения товарного продукта.
Метанол СНзОН — бесцветная горючая жидкость с запахом, напоминающим запах этилового спирта. Применяется метанол в производстве формалина и для других целей. Метанол ядовит, при приеме внутрь он вызывает частичную или полную потерю зрения, а в более значительных количествах ——смерть. При обращении с метиловым спиртом и содержащими его полупродуктами необходимо строго придерживаться правил безопасности.
Формалин — это 35—40 %-ный раствор формальдегида в воде. Его получают каталитической дегидрогенизацией паров метилового спирта в присутствии кислорода воздуха при высокой температуре (около 600°C). Парогазовую смесь, выходящую из реакционного аппарата, направляют в поглотительную колонну, орошаемую водой. Из поглотительной колонны, а также формалиноразделительной колонны, в котфой перерабатывают возвратные полупродукты, отбирают готовый формалин. Показатели процесса: расход метанола на 1 т 30 %-ного формалина с содержанием метанола до 1 % составляет 435 кг； а на 1 т 37 % -кого формалина с тем же содержанием метанола — около 540 кг (метанол остается в формалине с целью его стабилиза^ ции—' предупреждения, образования и выпадения в осадок пара* форма).
Производство ацетатных растворителей. Значительная часть лесохимической уксусной кислоты перерабатывается на ацетатные растворители： этилацетат и бутилацетат, представляющие собой сложные эфиры уксусной кислоты и соответствующего спирта: СНзСООН+С2H50H 甘 СНзСООС2H5+Н2О; СН3СООН+ + С4Н9ОН 甘 СН3СООС4Н9 + Н2О. Аналогично этому вырабатываются в ограниченных количествах пропилацетат, метилацетат и некоторые эфиры высших гомологов уксусной кислоты: этил- и бутил пропионаты, этилбутилат и т. п. Эти эфиры применяются: в качестве растворителей в производстве лаков, искусственной кожи, шелка; для растворения жиров, искусственных
~смол; как экстрагенты при излечении уксусной, кислоты из растворов; в парфюмерной, фотохимической промышленности ит. д.
Переработка древесных смол. В технологии пиролиза древесины встречается много видов смол, различающихся по своему качественному и количественному составу. Все они имеют сложный химический4 состав, обусловливающий трудность их переработки. Примерную классификацию смол по методу производства, по месту образования в технологическом процессе и по виду сырья можно представить следующей схемой:
Пиролизная смола
По способупроизводства一пиролизная (внешнего .нагрева и внутреннего нагре- бз)——газогенераторнаяПо способупроизводства一пиролизная (внешнего .нагрева и внутреннего нагре- бз)——газогенераторнаяПо месту образования ■—отстойная—растворимая (кубовая и экстракционная)—суммарнаяПо месту образования ■—отстойная—растворимая (кубовая и экстракционная)—суммарнаяПо виду сырьяПо виду сырья—хвойная(из осмола, из древесины)—лиственная—смешанных'пород—лесосечных отходов—хвойная(из осмола, из древесины)—лиственная—смешанных'пород—лесосечных отходов
По способу
производства
一пиролизная (внешнего .нагрева и внутреннего нагре- бз)
——газогенераторная
По способу
производства
一пиролизная (внешнего .нагрева и внутреннего нагре- бз)
——газогенераторная
По месту образования ■
—отстойная
—растворимая (кубовая и экстракционная)
—суммарная
По месту образования ■
—отстойная
—растворимая (кубовая и экстракционная)
—суммарная
По виду сырья
По виду сырья
—хвойная
(из осмола, из древесины)
—лиственная
—смешанных'пород
—лесосечных отходов
—хвойная
(из осмола, из древесины)
—лиственная
—смешанных'пород
—лесосечных отходов
Рассмотрение переработки всех видов смол не входит в программу настоящего курса, поэтому ограничимся общей схемой переработки смол. Первой операцией переработки смол является разгонка на фракции. Применяют периодическую и непрерывную разгонку смолы. При разгонке получают следующие фракции： до 180 ℃ — кислая вода и легкие масла; от 180 до 240 ℃ — креозотовая/ фракция (ф“отомас〃а); от 240 до 310 ℃ — антиокислитель; выше 310 °C ——тяжелые масла; остаток представляет собой пек. Выход легких масел составляет 20 %, креозотовой фракции 5——8 (используется в основном для флотации руд), антиокислителя от 15 до 30, тяжелых масел 2—4, пека 40—60 %.
При непрерывном методе переработки смол товарным продуктом являются суммарные фенолы. Схема технологического. процесса складывается из следующих операций: непрерывной разгонки смолы, пиролиза масел, переработки пиролиза в суммарные фенолы. Полученный в качестве остатка от разгонки смолы древесносмоляной пек используют для изготовления, древеснопекового крепителя (ДП), смолы для производства активных углей и пластификатора.
Крепитель ДП применяется в качестве связующего материала при изготовлении стержней для чугунного и стального литья» а также как противопригарное средство для литейных форм. Омыляя пек 20 %-ным раствором едкого натра и добавляя дре- весносмоляные масла, получают древеснопековый строительный пластификатор ЦНИИПС-1, применяемый в производстве строительных растворов и легких бетонов. Омыленный пек может использоваться также в литейном производстве в качестве противопригарной добавки к стержневым смесям. При расплавлении
пека с тяжелыми смоляными маслами в соотнашении 2: 1 получают продукт с температурой размягчения 40—50 ℃, пригодный для применения в качестве простил очного вара в обувном производстве. Из растворимой смолы вырабатывают понизитель вязкости, используемый при бурении нефтяных и газовых скважин.
Гл а в а 10
КАНИФОЛЬНО-СКИПИДАРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Канифольно-скипидарное производство включает канифольно-терпентинное и канифольно'экстракционные производства, а также производство лесохимических продуктов в суль> фатно-целлюлозном производстве. Данный вид производства основан на наличии в древесине экстрактивных веществ и способности их самопроизвольно выделяться при раненитг хвойных деревьев, извлекаться из различных частей хвойных и лиственных пород древесины водой, органическими растворителями и отго^ няться с водяным паром. Основной задачей канифольно^скипи- дарного производства является переработка живицы, осмола, сульфатного мыла. Большое значение придается производству вторичных прод^тов на основе канифоли, скипидара, хвойно- эфирных масел. ~
По объему производства канифольно-скипидарным продуктам принадлежит ведущее место среди лесохимических товаров. Ежегодное мировое производство канифоли превышает 1 млн. т., а скипидара — 250 тыс. т. Если 15—20 лет назад в СССР около 90—95 % канифоли получали из живицы, то на сегодняшний день более 35 % канифоли приходится на долю экстракционной и талловой, большую долю скипидара составляет сульфатный. Производство канифоли в СССР превысило 160 тыс. т в год.
СЫРЬЕ, ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА И ПОДГОТОВКАК ПЕРЕРАБОТКЕ
Сырье, применяемое для конкретных канифольно-скипидарных производств, и основные виды производимой продукции, приведены в табл. 20 [12].
Живица смолистое вещество, образующееся в процессе жизнедеятельности хвойных деревьев. Добывают живицу подсочкой. Наиболее часто для подсочки выбирают сосну обыкновенную. В подсочку вовлечено около 2,5 млн. га сосновых насаждений. Свыше 80 % живицы добывают на территории РСФСР, остальное количество — на Украине, в Белоруссии, прибалтийских республиках и Казахской ССР. Процесс добычи живицы складывается из трех основных производственных опера-
ТАБЛИЦА 20
Производство
Сырье
Продукция
Канифольно-терпентинное
Живица
Живичная канифоль, живичный скипидар (терпентинное масло)
Экстракционная канифоль, ски-
Канифольно-экстракци-
Смолистая древе-
онное
сина (пневый спелый и свежий
пидар, флотомасло
Лесохимических продук-
стволовой осмолы и др.) Сульфатное мыло.
Талловое масло, жирные ки-
тов в сульф а тцелл юл оз -
конденсаты паро-
слоты, талловая канифоль, клей-
ном производстве
газовых сдувок
паста, фитостерин, сульфатный
Природных дубителей
Древесина и корз дуба, кора ивы.
скипидар, сульфан, флотомасло Дубители (танниды)
Вторичных продуктов: на основе канифоли
ели, лиственницы Канифоль +
Эфиры канифоли, полимеризованная, гидрированная и ди-
спропорционированная канифоли, модифицированная и освет-
на основе скипидара
Скипидар
ленная канифоль, эмульгаторы, отвердители эпоксидных смол
Синтетическая камфора, техни* ческий пинеи, камфен, ядохимикаты, терпингидрад, терпи-
неол, пинан и ментан, терпено- коллоксилиновые лаки
ций: подготовки деревьев； нанесения на них специальных ранений (подновок); затаривания живицы.
При подготовке деревьев и подсочке на той части ствола, где будут наноситься подновки, осенью или зимой срезают грубую кору, образуя подрумяненную поверхность. На ней ранней весной устанавливают приёмники для сбора живицы, и подводят направляющие желобки для стока живицы в приемники. Участок поверхности ствола, подготовленный для нанесения подно- вок, называется каррой. С весны и до наступления1 заморозков на карре наносят специальным резцом подковки ——узкие, неглубокие срезы; из них выделяется живица. Из приемников стекающую вниз живицу выбирают вручную. Выход живицы с одного дерева за сезон колеблется от 0,9—1 кг на( севере до 2——2,5 кг на юге и в среднем по СССР составляет 1,5 кг.
Осмол, или просмоленная сосновая древесина, является сырьем для канифольно-экстракционного производства. Различают следующие виды осмола： пневый-осмол — естественно' просмолившаяся ядровая часть соснового пня； стволовый осмол —— стволовая древесина сосны, просмолившаяся в результате процесса осмолоподсочки; валежный и колодниковый осмол ——естественно просмолившаяся комлевая часть ветровальных, в том числе пораженных легкими низовыми пожарами, деревьев；
В последние годы канифольно-экстракционные заводы перерабатывают около 250——500 тыс. пл. м3 осмола в год. Средняя смолистость спелого осмола обычно колеблется от 14 до 19 %. При этом в пределах одной и той же партии осмола смолистость отдельных его кусков может довольно значительно колебаться. Для получения 1 м3 очищенного и разделанного спелого осмола требуется обычно 10——20 пней. С 1 га принимаемых для промышленного использования вырубок добывают от 2 до 10 м3, в среднем около 4 м3 осмола.
Сульфатное мыло содержит соли смоляных и жирных кислот и является важным источником получения канифоли и других талловых продуктов. Сбор сульфатного мыла не только дает ценное сырье для дальнейшей переработки, но и облегчает работу установок для выпарки черного щелока на сульфатно- целлюлозных заводах. Раствор сульфатного мыла в черном щелоке представляет собой сложную полидисперсную систему, в которой находятся в равновесии частицы мыла различной степени дисперсности:
Молекулярно- Коллоидно-растворенное Грубодисперс- растворенное мыло (мицеллярное) мыло ное йыло
Отстаивание щелоков и выделение мыла ведут в две ступени. Вначале отстаивают щелоки для выпарки, предварительно доводя их плотность смешением с упаренными щелоками до 1100— 1120 кг/м3. При этом выделяется 30——40 % содержащегося в щелоке мыла. После упаривания до плотности 1160——1180 кг/м3 щелок снова отстаивается, при этом выделяется еще 20—30 % мыла, а всего 50—70 % его содержания в щелоке.
Отстаивание мыла ведется в отстойниках-резервуарах (баках) при температуре около 80 ℃. Щелок вводится в баки посредине их высоты, а всплывающее в виде плотной пены мыло отводится по лотку через окно в верхней части стенки бака. Наиболее полно при отстаивании мыла выделяются из щелока жирные кислоты (70——75 %), затем смоляные кислоты и неомыляемые вещества (55—60 %), тогда как окисленные вещества в основном (70——75 %) остаются в щелоке.
Собранное мыло имеет темно-коричневый цвет и мазеобразную консистенцию. Оно содержит не менее 45 % смоляных, жирных кислот и неомыляемых (нейтральных) веществ, не более 9 % общей щелочи и 35 % влаги. Выход сырого сульфатного мыла из сосновой древесины составляет от 50 до 140 кг в расчете на 1 т сульфатной целлюлозы. Из кедровой и лиственничной древесины -получается значительно меньше сульфатного мыла, из еловой, пихтовой ——незначительное количество. Из древесины лиственных пород также получается сульфатное мыло в количестве 30 кг на 1 т целлюлозы; в составе такого мыла преобладают соли жирных кислот и неомыляемые вещества. Сырое сульфатное мыло перерабатывается на сырое талловое масло.
ПЕРЕРАБОТКА ЖИВИЦЫ
Вытекающая при ранениях дерева сосновая живица представляет прозрачную смолистую жидкость с приятным сосновым запахом. Из-за испарения скипидара и кристаллизации смоляных кислот живица густеет, становится мутной, непрозрачной и вязкой, по внешнему виду напоминающей засахарившийся мед. Она всегда содержит примеси —сор, воду.
На канифольно-терпентинные заводы поступает сосновая живица, содержащая около 75 % канифоли, 18 % скипидара, 6 % воды и 1.% сора. Переработка живицы включает две стадии 、процесса: на первой происходит удаление из живицы сора и воды, получаемая при этом очищенная и расплавленная живица называется терпентином； на второй производят отгонку летучей части (скипидара) от нелетучих смоляных кислот. При этом происходит сплавление смоляных кислот с другими твердыми нелетучими компонентами живицы. Получаемый продукт называется живичной канифолью, а операция носит название уваривания канифоли.
Очистка живицы от примесей. Содержащаяся в живице вода обычно эмульгирована в ней и отслаивается только в отдельных случаях (например, в живице осенних сборов). Твердые посторонние примеси (или сор) подразделяются на органические и минеральные. Органические примеси находятся в живице обычно в виде крупных и более легких, чем вода, частиц и включений — хвои, кусков коры, древесной стружки, остатков насекомых и некоторых мелких частиц, например образующейся из коры пыли. Минеральные примеси состоят из мелких частиц пыли и песка, более тяжелых, чем вада. Основная часть сора (80 %)——крупный сор. Мелкий сор составляет главную часть примесей, находящихся во взвешенном состоянии в расплавленной живице. При плохой ее очистке ч^сть этих примесей, в основном минеральные частицы, попадает в готовую канифоль. "
Отделить примеси от вязкой, густой живицы при обычной температуре невозможно. Поэтому живицу расплавляют, при этом вязкость ее уменьшается, и к ней добавляют скипидар для увеличения разности между ее плотностью и плотностью воды. Механические примеси могут быть отделены от расплавленной живицы простым фильтрованием, а вода — отстаиванием. Обычно для отделения примесей применяют последовательно обе эти операции.
Уваривание канифоли. В настоящее время уваривание осуществляется в непрерывнодействующих канифолеварочных колоннах. Технологическая схема переработки живицы в канифоль и скипидар состоит в следующем: живица в бочках электроталью подается в живицемялку, где разминается, разбавляется скипидаром, и бетононасосом подается в плавильник-реактор. В плавильник-реактор также поступает 3 %-ный раствор фосфорной кислоты для разрушения железных солей смоляных кислот, при- 166
дающих нежелательную окраску канифоли. В результате энергичного .перемешивания и прогрева в плавильнике, канифоль расплавляется и поступает в друк-фильтр, отфильтровывается от крупного сора и через буферный бак поступает в отстойник непрерывного действия. Обычно устанавливают несколько друк- фильтров, работающих поочередно. На ряде заводов установлены комбинированные плавильники и друк-фильтры не используются. В отключенном друк-фильтре крупный сор экстрагируют скипидаром для оолее полного использования живицы и удаляют из фильтра. В отстойниках расплавленная живица с температурой 92—95 ℃, содержащая 38——40 % скипидара и 10—12 %' воды, освобождается от мелкого сора и воды, которые' в виде грязевого отстоя поступают в грязевой отстойник. После отстойников живица, пройдя фильтры тонкой очистки, поступает в ка- иифолеварочную колонну, предварительно пройдя подогреватель. Дополнительная часть скипидара и живицы, отделенная в грязевом отстойнике, собирается в баках оборотного 一 скипидара и возвращается в друк-фильтры, а сор пропаривается для удаления скипидара и выбрасывается.
Очищенная живица поступает* в канифолеварочную тарельчатую колонку на уваривание. Уваривание живицы заключается в удалении из нее летучих с паром терпеновых углеводородов при пропускании через нее пара. При температуре 170—175 ℃ живица продвигается сверху вниз, поочередйо проходя имеющиеся в колонне тарелки, навстречу ей движется острый пар. Терпентин (очищенная живица) постепенно отдает скипидар, и уваренная канифоль непрерывно вытекает из нижней части колонны. 、
Пары скипидара и воды^также непрерывно выходят из верхней части колонны и через дефлегматор и сепаратор поступают в холодильник. Конденсат стекает во флорентину, где скипидар отделяется от воды. Дефлегматор служит для отделения от паров высоко кипящих фракций, которые конденсируются и используются для разбавления живицы при плавке. Скипидар собирается в приемнике скипидара, а канифоль ——в сборнике канифоли, откуда поступает на разлив в бочки, мешки и т. п.
ПЕРЕРАБОТКА ОСМОЛА
Задача канифольно-экстракционного производства, как показывает само название,— извлечение (экстракция) смолистых веществ из осмола с целью получения канифоли, скипидара и флотационного масла. Технология канифольно-экстракционного производства включает следующие основные стадии процесса: измельчение осмола в щепу; экстракцию смолистых веществ из щепы органическим растворителем (бензином); переработку бензиновых растворов с целью получения товарных продуктов и регенерацию растворителя.
Хранение и подготовка осмола. Поступающий на заводы осмол укладывают для хранения на складе сырья. В настоящее время применяют метод 'хранения в кучах, при котором осмол с по- мощью козловых кранов укладывают в кучи объемом до 10тыс. пл- м3. Для бесперебойной работы завода на складе сырья дол- жен быть 2——3-месячный запас осмола. Сильно загрязненный ос- мол иногда перед измельчением промывают водой, подаваемой П°Д высоким давлением из брандспойтов,- а крупные куски его распиливают бензопилами или раскалывают механическим или гидравлическим колунами. Для экстракции смолистых веществ древесину измельчают в щепу, степень измельчения которой определяется необходимой скоростью извлечения канифоли из щены. Осмол измельчают на дисковых рубительных машинах. Дл又 получения более однородной по размерам щепы ее сорти- руют. Крупная щепа, из которой канифоль извлекается плохо, направляется на доизмельчение в специальную дробилку. При измельчении осмола получается осмольная технологическая щена размером от 3 до 25 мм по длине волокна и от 1,5 до Змм по толщине. При этом щепы размером до 15 мм по длине во- локна, являющейся наиболее приемлемой, получается около 85 % (по массе). Отходы при измельчении составляют 5—8 % массы осмола. В результате измельчения осмола в щепу происходит увеличение ее объема. Коэффициент перевода объема ос- мола в щепу принимается в среднем равным 1,35. Масса 1 м3 щепы из осмола влажностью 20 % обычно равна 230—250 кг и зависит от содержания смолистых веществ в щепе. Полученная в измельчительном отделении щепа ленточным транспортером и ковшовым элеватором поднимается в бункер экстракционного отделения, откуда поступает на заготовку в экстракторы.
Экстракция. В канифольно-эктракционном производстве под экстракцией понимают извлечения смолистых веществ из осмола летучими растворителями, главным образом бензином. Экстракция смолистых веществ из древесины является процессом слож- ным и малоизученным. Чтобы извлечь смолистые вещества из осмоленной щепы, растворитель должен прежде всего проникнуть в толщу щепы и пропитать ее. Проникновение бензина происходит под действием капиллярных, электрокинетических, диффузионных и гидростатических сил. Смолистые вещества растворяются и переходят в растворитель главным образом по законам молекулярной и конвективной диффузии. На скорость процесса экстракции существенное влияние оказывают следующие факторы,
Внд и степень измельчения осмола. Эффективность извлечения смолистых веществ через поверхность щепы уменьшается в следующем порядке в зависимости от ее вида — торцовая, тангенциальная, радиальная. Чем мельче щепа, тем больше поверхность ее контакта с растворителем и скорость экстракции. Однако приготовление мелкой щепы удорожает и затрудняет процесс, ио- атому технологическая осмольная щепа должна быть не больше 15—20 мм по длине волокна.
Влага замедляет процесс экстракции, препятствует проникновению растворителя в щепу. Лучше извлекается смола из воздушносухого осмола (влажность 20%)'.
Чем богаче осмол смолистыми веществами, тем больше будет их извлечено, так как остаточная смолистость щепы одинакова. Количество извлеченных при экстракции смол выражается через коэффициент извлечения Кизвл, %： .
Кнзвл = [(Хс-Х°)/Хс]Ю0,
где Хс н X。——содержание канифоли в щепе до и после экстракции, % массы обесмоленной абс. сухой древесины.
Обычно пневый осмол содержит 15—18 % канифоли (в пересчете на древесину 20 %-ной влажности). Остаточная смолистость в отработанной щепе составляет 3,5——5,5 % в пересчете на обессмоленную абс. сухую древесину.
При повышении темпер а туры растворимость смолистых веществ в рас- тиорителе возрастает. Высокая температура способствует окислению смоляных кислот с образованием продуктов темного цвета. На экстракционных установках, работающих без избыточного давления, ' температура экстракции близка к температуре кипения растворителя. Экстракция в установках, работающих под давлением, осуществляется при температуре 120——150 ℃ и давлении 0,4— 0,5 МПа.
Давление ускоряет пропитку щепы растворителем, но замедляет выход смолистых веществ изнутря щепок наружу. Повышение давления выше 0,4—— 0,5 МПа считается нецелесообразным, так как, кроме замедления экстракции, требует особой герметичности и прочности аппаратуры вследствие огне- и взрывоопасных растворителей.
Гидродинамические условия оказывают существенное влияние на скорость процесса экстракции. Экстракция в неподвижном растворителе идет медленнее, чем в движущемся. Поэтому в современных установках осуществляется перемещение растворителя циркуляционными насосами.
К растворителям предъявляются следующие требования: высокая избирательная растворяющая способность (растворять только смолистые вещества); низкая удельная теплота испарения； относительно низкая температура кипения; нерастворимость и несмешиваемость с водой; химическая стойкость при многократном обращении в производстве； отсутствие токсичности и корродирующей способности; малая летучесть； невысокая плотность； доступность по цене; широкая распространенность и крупнотоннажное производство.
По отношению к перечисленным требованиям наиболее подходящим растворителем оказался бензин. Для экстракции применяется бензин марки БР-1 или Б Р-2 с температурой кипения 80—120 ℃ (БР ——бензин-растворитель).
Продолжительность и методы экстракции. Продолжительность экстракции является функцией всех перечисленных факторов и устанавливается экономической целесообразностью удаления остаточных смолистых веществ. Продолжительность экстракции в заводских условиях, например при батарейно-противоточном методе, составляет 5—7 ч.
В промышленной практике получили распространение периодический, батарейный и непрерывный методы экстракции, из которых ведущее место принадлежит батарейно-противоточному, применяемому в нескольких разновидностях. В этом методе несколько экстракторов (от 6 до 10) соединяют коммуникацией друг с другом в батарею. Технологический процесс при батарейно-противоточном методе экстракции с предварительной подсушкой щепы парами бензина и раствором из хвостового экстрактора заключается в том, что рабочий растворитель подается в иижнюю часть хвостового экстрактора и прокачивается через
батарею экстракторов противотоком по отношению к щепе от хвостового до головного. Проходя последовательно экстракторы, растворитель обогащается растворяемыми в нем смолистыми веществами и о-гбирается из верхней части головного экстрактора вместе с парами бензина и воды. Крепкий раствор смолистых веществ в растворителе носит название мисцеллы. Мисцелла вместе с парами бензина и воды направляется в сепаратор, отделяется от них и поступает в выносной испаритель, где происходит ее концентрирование. Вначале пары бензина из сепаратора и испарителя, а затем бензин из отключенного хвостового экстрактора поступают в экстрактор, загруженный свежей щепой, где кипячением бензина производится подсушка щепы (отгонка влаги с парами растворителя). Затем этот экстрактор в качестве головного подключают к противоточной батарее. Хвостовой экстрактор, освобожденный от раствора, ставят на отдувку (удаление остаточного бензина из щепы с помощью пара), а на сушку ставят следующий экстрактор со свежезагруженной щепой. Затем опять отключают хвостовой, подключают экстрактор с' подсушенной щепой^ и т. д.
Обессмоленную Щепу после отдувки растворителя выгружают из экстрактора и направляют на дальнейшую переработку. Эта щепа успешно используется для производства ДВП и ДСП, активированных углей, а также в качестве топлива в котлоагрегатах. Исследуется возможность применения ее для варки целлюлозы.
Рассмотренный метод позволяет извлекать из древесины около 85 % канифоли при начальном ее содержании около 28 %; остаточное содержание составляет около 4 %. Мисцела после упаривания в среднем содержит 220—250 г/л канифоли.
Мисцелла, полученная в процессе экстракции, подвергается дальнейшей переработке, в ходе которой из нее регенерируется бензин, получается неосветленная канифоль и скипидар-сырец. Неосветленная канифоль выпускается как товарный продукт или, что целесообразнее, подвергается модификации или осветлению. Скипидар-сырец ректифицируют, выделяя бензин, товарный скипидар и флотомасло-сырец. Переработку мисцеллы и ректификацию скипидара-сырца осуществляют на установках непрерывного действия.
ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ СУЛЬФАТЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Переработка сырого сульфатного мыла. При сульфатной и натронной варках целлюлозы из хвойных пород древесины смолистые вещества получают в виде сульфатного скипидара и сульфатного мыла： являющихся- побочными продуктами суль- фатцеллюлозного производства. Очистка их и дальнейшая переработка позволяют получать широкий ассортимент лесохимиче- 170
ских продуктов: талловое масло, талловую канифоль, жирные кислоты, талловые эфиры, фитостерин, сульфатный скипидар, флотомасло, сульфан и др. ”
Экстрактивные вещества древесины в процессе сульфатной варки превращаются в продукты, пригодные к дальнейшей целевой переработке: смоляные кислоты нейтрализуются и в виде водорастворимых натриевых солей переходят в черный щелок; жирные кислоты и их эфиры, содержащиеся в древесине в виде глицеридов олеиновой, линолевой, линоленовой и пальмитиновой кислот, также переходят в щелок в виде натриевых солей жирных кислот; терпеновые углеводороды отгоняются с паром и удаляются в процессе сдувок.
В определенных условиях под влиянием электролитов щелока натриевые соли жирных и смоляных кислот коагулируют и всплывают на поверхность черного щелока в виде легкого пенистого слоя. При всплытий они увлекают нейтральные и окисленные вещества. В результате образуется продукт, называемый сырым сульфатным мылом. По внешнему виду это мазеобразное вещество от темно-желтого до темно-коричневого цвета. Плотность сульфатного мыла находится в предела^ от 0,9 до 1,113 г/см3.
Большое разнообразие факторов, влияющих на выход сульфатного мыла, дает противоречивые данные о выходе этого продукта на разных предприятиях. В основном выход его составляет от 40 до 100 кг на 1 т целлюлозы. Количество сульфатного мыла в черном щелоке при смолистости сырья 3 % составляет около 130 кг, а цри смолистости 4,5 % до 190 кг на 1 т целлюлозы. Обычно из черного щелока выделяется в среднем 50—60 % смолистых-веществ от их содержания в древесине. Качественный состав сырого сульфатного мыла примерно одинаковой для разных предприятий, но имеет некоторые количественные отличия. Например, состав сульфатного- мыла Сегежского ЦБК, %： смоля^ ные кислоты 26,71; жирные кислоты 23,03; неомыляемые 6,86; натрий в органических соединениях 4,43; лигнин и др. 2,99; свободная щелочь 1,93； сульфат и сода 0,63; вода 33,42.
Производство сырого таллового масла. Талловое масло полу- чают разложением сульфатного мыла серной кислотой. Под действием серной кислоты натриевые соли смоляных и жирных кислот разлагаются выделением свободных смоляных и жирных кислот. Процесс получения таллового масла производится периодическим или непрерывным методом в специальных реакторах. Расход серной кислоты плотностью 1,66—1,67 г/см3 на разложение сульфатного мыла на отечественных предприятиях составляет 200—290 кг на 1 т сырого таллового масла. Сырое талловое масло — темная вязкая жидкость (плотность 0,96—0,99 г/см3)— представляет собой смесь смоляных и жирных кислот с нейтральными веществами и продуктами окисления черного ще・ лока.
Состав и основные физико-химические показатели таллового масла Сегежского ЦБК следующие: жирные кислоты 40,2 %; смоляные кислоты 40,3; неомыляемые 10,44; кислоты, нерастворимые в петролейном эфире 7,84 %; кислотное число 167,2 мг/г; число омыления 192,6 мг/г; плотность 0,993 г/см3. Сырое талловое масло является ценным сырьем для производства талловой канифоли и талловых жирных кислот, линолеума, твердого и жидкого мыла, лаков, смазочных масел, алкидных смол, сиккативов, красок и др.
Производство талловой канифоли и жирных кислот. Основную часть таллового масла подвергают ректификации для выделения талловой канифоли, талловых жирных кислот и других продуктов. Ректификация таллового масла осуществляется на 3, 4-колонных установках непрерывного действия под вакуумом. Схема ректификации сложна. Расчетные выходы продуктов на новых установках составляют, %: канифоли 26—36; жирных кислот 26——30; дистиллированного и легкого масла 18——24: пека 16—20.
Талловая канифоль (Т) и ее модифицированные виды — талловая модифицированная (ТМ) нашли широкое применение в бумажном производстве для проклейки бумаги как полноценные заменители дефицитной живичной канифоли. Талловый пек, содержащий 40—45 % смоляных кислот, успешно применяется для проклейки темных сортов бумаги, картонов и ДВП. В нем также содержатся фитостерины, извлечение которых позволяет получить ценные медицинские препараты.
Производство сульфатного скипидара. В процессе сульфатной варки целлюлозы скипидар вследствие своей летучести отгоняется с паром и удаляется из котла со сдувками. После охлаждения и конденсации парогазовой смеси сульфатный скипидар отделяется от воды и поступает на переработку. Сырой сульфатный скипидар имеет желтую или светло-коричневую окраску, плотность 0,85——0,87 г/см3 и неприятный запах вследствие высокого содержания дурнопахнущих сернистых соединений. Очищенный сульфатный скипидар по составу близок к живичному, он содержит, %: а-пинена 70; р-пинена 3,5; Д3-карена 15—20; мо- ноциклических терпенов 3—5; прочих компонентов 3—5. Выход сульфатного скипидара на 1 т целлюлозы составляет при переработке сосны 9,6—12,1 кг, ели 1,4—1,9 кг.
Выработка таллового масла, талловой канифоли и других продуктов переработки сульфатного мыла быстро возрастает с развитием сульфатно-целлюлозного производства. Этому способствует невысокая себестоимость талловых продуктов, поскольку для их получения требуются значительно меньшие затраты труда, чем для получения экстракционной и особенно живичной канифоли.
§ 38. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Техника и технология современных лесохимических производств настолько разнообразна и многопланова, что рассмотреть в полном объеме технико-экономические показатели по всем производствам в данном курсе не представляется возможным. Поэтому ограничимся ' приведением основных показателей для наиболее распространенных технологических процессов по трем направлениям лесохимии.
Пиролиз древесины
Лесохимический завод Амзинскии
Вертикальная ниркуляпионная реторта (температура пиролиза 450 ℃), шт 1
Удельная производительность, скл. м3/дров сутки, на 1 м3 суммарного объема 必
Выход с 1 скл. м3 древесины, кг： товарного угля неконденсирующихся газов•急
1 黎 в ней органических веществ, всего 76
из них:
летучих метанола эфиров .
смолы •
242240
Канифольно-скипидариое производство
Лесохимический завод Нейво-РудянскийВологодский
Содержание в живице, %
канифоли .•: скипидара воды сора
5 35 7
7 1
4899
Скипидар： плотность, г/см3 начальная температура кипения, ℃
кислотное число, кг КОН/г ....
0,859
158,50,4
0,860
157,80,3
Расход н а 1 т канифоли:
живицы (93 %-иой), кг фосфорной кислоты, кг поваренной соли, кг электроэнергии, кВт-ч пара, воды, м3
4 3 129
001881
Ло 4« 1111 71^5 31 и
Лесохимический завод
Нейво-Рудянский
Содержание в свежей щепе,
воды
24,3
канифоли
29,6
летучих
9,2
Канифоль:
температура размягчения, ℃ ...
55,7
кислотное число, мг КОН/г ....
153,2
Скипидар:
плотность, г/см3
0,856
начальная температура кипения, ℃
152,6
кислотное число, мг КОН/г ....
0.1
Выход из 1 скл. м3 осмола, кг:
канифоли
47,9"
скипидара
14,2
флотомасла
2,84
Канифольно-экстракционное производство
Вахтанский
3 7 7
5 O^R^
2 2
0555,154,
о
49 2 Id 4 1
Расход не 1 т канифоли:
осмола, скл. м3 бензина, кг пара, г/кал электроэнергии, кВт-ч
воды, м3
902004 O^O^^R-113 о1 24
^•^-и-оо8 2 1^^^и 3 и и1 牙奴
Раздел V
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Глава 11
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ
“Ре吧РКЯ111Я Д^люлозно-бумажной, гидролизной и лесохимический промышленности являются значительными источниками загрязнения окружающей среды — как водоемов, так и воздуш- ного бассейна. В последние годы обращается особое внимание на осуществление комплекса мероприятий, направленных на ох- рану окружающей среды. В частности, повсеместно вводятся 174
в эксплуатацию очистные сооружения, внедряется оборотное в®- допользование и бессточная технология..
В технологических п{Я5цессах целлюлозно-бумажного, гидро- лизното и лесохимического- производств наряду с целевыми продуктами, образуются побочные представляющие практически все классы органических и множество неорганических веществ. Если не принимать надлежащих мер для очисткй промышленных выбросов, то невосполнимый урон наносится не только окружающей природе, но и здоровью человека.
СТОЧНЫЕ ВОДЫ И ИХ ВЛИЯНИЕНА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Специфические проявления разнообразных свойств воды в зависимости от внешних условий, практическая неисчерпаемость источников, доступность и дешевизна сделали воду незаменимым агентом всех процессов целлюлозного, древесно-массного, картонно-бумажного, гидролизного и лесохимического производства. Наиболее крупным потребителем воды является целлюлозно-бумажная промышленность. Из общего промышленного водопот- р'ётаения ей принадлёЖит^ййбло 6 %.
Суточное потребление воды на технолбгические нужды современными целлюлозно-бумажными комбинатами исчисляется сотнями тысяч кубометров. Например, Кондопожский ЦБК на технологические нужды потребляет в сутки около 250 тыс. м3 воды, а Котласский ЦБК — свыше 500 тыс. м3. Так, при изготовлении белой древесной массы расход свежей воды составляет 20—27 м3 т, а конденсаторной бумаги—1200—3300 м3 т. Потребление таких огромных объемов воды требует наличия ее мощных источников, из-за чего все комбинаты располагаются на берегах крупных, рек и озер, обеспечивающих круглогодичное бесперебойное снабжение предприятий необходимым количеством воды. Однако следует иметь в виду, что колоссальные объемы воды, требуемые для технологических операций, только участвуют в процессах производства, выполняя разнообразные функции —— растворителя, реакционной среды, разбавителя, промывного агента, теплоносителя и т. д., и после выполнения соответствующих функций снова высвобождаются. В ысв о бо жден н ы е из соответствующих операций воды в зависимости от вида процесса или операции содержат большие количества самых разнообразных как растворенных минеральных и органических веществ, так и взвешенных коллоидно-дисперсных частиц (мелкие волокна, слизь, частицы наполнителя, клея, минеральных загрязнений и пр.), переходящих в воду в соответствующих процессах. Воды, выходящие из соответствующих технологических процессов, содержащие указанные выше загрязняющие компоненты, называются промышленными сточными водами.
Состав и характеристика сточных вод. Качественный и количественный состав сточных вод целлюлозно-бумажного/ гидро-
лизного и лесохимических производств очень разнообразен. Характеристики стоков сульфит- и сульфатцеллюлозного производства приводятся в табл. 21 и табл. 22.
Объем сточных вод гидролизных предприятий в расчете на 1 т переработанного абсолютно сухого сырья составляет 50— 100 м3. Загрязненность сточных вод также колеблется в значительных пределах. Количество БПК составляет 90—130 кг/т а. с. с., взвешенных веществ 30—50 кг/т а. с. с. Основным источником загрязнений является последрожжевая барда (ПДБ), составляющая 25——40 % общего стока завода и вносящая 60——80 %' загрязнений по БПК5. Кроме ПДБ, следует отметать следующие разновидности-сточных вод, составляющих общий сток: лютер- ная жидкость спиртовой колонны, лютерная жидкость фурфурольных колонн, осадок бродильных чанов и промывные воды, получаемые от промывки технологического оборудования, полов технологических цехов. Промывные воды в зависимости от культуры производства содержат загрязнений по БПК5 от. 10 до 30 кг/т а. с. с. В общем стоке предприятия практически присутствуют все вещества, получаемые при гидролизе растительного сырья и содержащиеся в применяемых химикатах. В табл. 23 приведена суммарная характеристика стоков основных лесохимических производств.
Контроль качества сбрасываемых сточных вод осуществляется двумя показателями: химическим и биологическим потреблением кислорода. Под химическим потреблением кислорода (ХПК) понимают потребность кислорода, мг О2на полное химическое окисление 1 г веществ, содержащихся в . воде (мг О2/г); под биологическим потреблением к и с - лор ода (БПК)—потребность кислорода (мг О2) на полное биохимическое окисление 1 г веществ, содержащихся в воде (мг О2/г), Способность окисляться (окисляемость) органических и других веществ, содержащихся в сточных водах, различна: одни окисляются легче, другие труднее. Потому чаще всего БПК определяют за определенное время ——за 5 или 20 суток, например, БПК5 и БПК2о.
В табл. 22 и 23 значение ХПК и БПК5 выражены в миллиграммах О2 л воды. Это значит, что при биохимическом окислении веществ, содержащихся в 1 г сточных вод, например, варочного цеха (см. табл. 23), содержание кислорода в 1 л водоема уменьшается на 500一800 мг. Если сравнить естественную растворимость кислорода в воде, составляющую от 7 до 15 мг О2 на 1 л, то становится очевидным вред, наносимый сточными водами флоре и фауне водоемов, жизнедеятельность которых всецело зависит от содержания кислорода.
Влияние сточных вод на окружающую среду. Органические вещества, осевшие на дно в месте спуска сточных вод, через некоторое время в анаэробных условиях начинают загнивать, выделяя вредные газы и тем самым образуя очаги вторичного загрязнения. Продукты гниения и распада веществ придают .воде 176
Показатели
Производство целлюлозы (сульфитцеллюлозиое производство)
небеленой
беленой
с переработкой сахаров на спирт
с переработкой сахаров иа спирт и иа дрожжи
pH
3,6—5,5
3,4—4,8
3,7-6,2
4,1—6,3
Взвешенные вещества, мг/л
200—340
210—360
93—286
86—250
В том числе летучие, %
81—87
81—S6
71—78
74—88
Плотный остаток:
1210—2400
1300—2700
680—Н00
970—1400
ХПК, мг О2/л
400—1000
1200—1500
220—600
85—350
ВПКб, мг О2/л
163—380
400—800
100—200
40—138
ТАБЛИЦА 22
Цех
Показатели загрязнений сточных вод сульфатцеллюлоэиото производства
pH
Взвешенные вещества, мг/л
Сухой остаток, мг/л
хпк, мг О2/л
ВПК., мг Оя/л
Варочный
8,1—8,7
150—350
2000—6000
1200—3380
500—800
Промывной
7,8—8,5
200—500
/1500—2000
300—1100
100—500
Очистный
7,1—7,4
100—160
300—700
50—200
20—80
Сушильный
7,1—7,2
90—100
300—500
60—160
30—60
Выпарной
8,6—9,2
50—100
100—500
110—1300
35—560
Содорегенера- ции
8,5—12,3
90—500
600—1000
200—1000
-—
Каустнзацнн
8,0—10,2
40—70
350—450
100—200
—
ТАБЛИЦА 23
Производство
Количество стоков на 1 т продук-
pH
хпк. мг б/п
БПКю， мг О2/л
Смолы, мг/л
Фенолы, мг/л
Сухой остаток, мг/л
Уксусной кислоты
53,6
3,6
8 900
5 900
55
20
316
Бутилацетата
0,66
9,0
30000
12 000
62
1,4
48 000
Канифольноэкстракционное
33,1
6 000
3 000
40
10
200
Канифольно-скипидарное
12 Заказ № 56
37,29
1 400
875
5
0,8
150
Z
177
водоемов неприятный вкус, отравляют атмосферный воздух. При высокой концентрации газов в водоеме могут погибнуть растительность, микроорганизмы и рыбы. На разложение осевших ве- хцеств расходуется кислород воды, и в водоеме образуются обескислороженные зоны. Известны случаи, когда при содержании СО2 около 50 мг/л фауны на дне не было. '
Растворенные в сточной воде вещества — хлор, углекислый газ, сернистый ангидрид, сероводород, метилмеркаптан и др., попадая в водоем, придают, свежей врде неприятный запах и привкус. Летучие газы, десорбируясь из воды водоемов, загрязняют атмосферный воздух, губительно дейсдауют на окружающую растительность и 一 здоровье человека. Такие газы, как сернистый ангидрид, сероводород и метилмеркаптан, будучи восстановителями, потребляют растворенный в воде кислород. Сероводород ——сильный яд, губительно действующий на большинство рыб уже при концентрации его в воде 1——2 мг/л.
ГАЗОПЫЛЕВЫЕ ВЫБРОСЫ И ИХ ВЛИЯНИЕНА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Из вс<ех видов производств ЦБП основными источниками загрязнения воздушного бассейна являются сульфат- и сульфитцеллюлозные производства. Например, производство сульфатной целлюлозы сопровождается газопылевыми выбросами в атмосферу в количестве 8,5—9,5 тыс. м3 сухого газа на 1 т небеленой целлюлозы. Количественная и качественная характеристики газопылевых выбросов сульфатного завода при расходе сульфата натрия около 100 кг/т целлюлозы щриведены в табл. 24 (без учета очистки газов).
Основными источниками газопылевых выбросов, как следует из табл. 24, при производстве сульфатной целлюлозы являются: выбросы варочного и выпарного цехов, окислительной установки, дымовые газы н парогазовые выбросы растворителя плава СР КА и известерегенерационной neq 巴 В сульфитцеллюлозном производстве наиболее опасным ис?Вчником загрязнения атмосферы является сернистый газ, составляющий основной компонент газовых и газопылевых выбросов кислотных и регенерационных цехов, а также частицы уноса минеральных солей СРКА. Сжигание сульфитных щелоков сопровождается выбросом от 4,7 до 11,8 кг/т целлюлозы.
Гидролизное и лесохимические производства. Газопылевые выбросы гидролизного производства содержат в основном СО2 и летучие продукты: спирты — метанол, этанол; уксусную кислоту и фурфурол; различные эфиры. Выбросы этих продуктов незначительны, но представляют определенную опасность.
Газовые выбросы лесохимических производств отличаются большим разнообразием. Отходящие газы от конденсаторов реторт пиролиза древесины содержат кроме СО2 до 30 % в сумме горючих газов: СО, СН4, Н4, пары спиртов, смол и кислот; газы
Источник выбросовИсточник выбросовSMO^S^^S-"-SOB swo&osmSMO^S^^S-"-SOB swo&osmModoMomod。。ModoMomod。。Количество компонентов, г/т целлюлозы
Источник выбросов
Источник выбросов
SMO^S^^S-"
-SOB swo&osm
SMO^S^^S-"
-SOB swo&osm
ModoMomod。。
ModoMomod。。
ВарЪчный
Терпентинный кон-
4,22
4,74
443,7’
733,5
—
—
—
Периодиче-,
денсатор Бак-аккумулятор
16,0
19,0
900
400,2
—
—
ская варка Непрерыв-
Терпентинный кон-
4,0
40,0
1240
32,0
4,0
—
ная варка
деисатор
Выдувной резер-
4,0
8,0
6,2
—
一
—
Выпарной
вуар
Приямок баромет-
30,0
612
63,4
—
一
рического конден-
сатора Окислительная
300,0
58,0
90,0
230
—
—
Содорегене-
установка
СРК с газоконтакт-
8000
12 000
1160
—
5600
80000
рационный
ным испарителем Растворитель
266
5 760
—
—
45Po
Известере-
плава
Известерегенера-
550
200
—
■—
—
720
4000
генерацнон-
ционная вращаю-
ный
щаяся горизонтальная печь
ММ ДМС ДМДС
Пыль
Цех
Установка
Примечание. ММ-метилмеркаптан; ДМС 一 диметилсульфнд; ДМДС - диметилдисульфид..
формалиновых цехов ^-18—20 % Н2, СО2, CH% СО, СН2О if СН3ОН; газы канифольно-скипидарных производств — пары скипидара и других летучих продуктов.
Влияние газопылевых выбросов на окружающую среду. Пыль и газы отрицательно влияют не только на здоровье людей, но н на многие растения и деревья, особенно хвойные и фруктовые. Поражающий эффект при воздействии загрязнения воздуха может быть самым различным ——от незначительного повреждения до полной гибели. Один из наиболее опасных ядов.для растений——сернистый газ. Он относится к ядам, которые накапливав ются в растении и медленно отравляют его. В случаях, когда концентрация сернистого газа невелика, растение живет и развивается нормально, но как только его .концентрация превысит некоторое пороговое количество, растение постепенно погибает. Сернистый газ угнетает жизнедеятельность клеток листьев к вызывает изменение процесса фотосинтеза при* концентра侬* 0,92 мг/м3. Вместе с тем лесонасаждения обладают очищаюдаей способностью. Наиболее эффективны чистые лиственные 我ас* ждения, за' ними идут смешанные и затем хвойные. Это испода зуется при создании санитарно-защитных зон.
Глава 12
МЕТОДЫ СОКРАЩЕНИЯ промышленных выбросовИ ИХ ОЧИСТКА
Для предупреждения загрязнения водоемов и воздушного бассейна следует прежде всего использовать технолопгческие методы, среди которых наибольшее внимание должно уделяться следующим [9]: усовершенствованию основных технологических процессов1 с целью сведения к минимуму выбросов вредных веществ; рекуперации и регенерации ценных химикатов из промышленных выбросов; утилизации ценных продуктов из промышленных выбросов; созданию замкнутых систем водопользования.
I7.
IОтходы
>-J Производство У^Продущия N
Ie Tn
IОтюды
IX Произбодстбо I—>фодукция П
Отходы
Рис. 34. Принципиальная схема，безотходного производства
Утилизация первичных отходов, образующихся непосредственно в результате проведения основных технологических процессов и вторичных, образующихся при переработке отходов в системах рекуперации,дгегенерации и санитарной очистки промышленных выбросов, создает технические предпосылки для организации малоотходных и безотходных нронзвоаствЛ^ТТ^шщнш!- альная схема безотходного производства показана на рис. 34, в котором отходы одного производства являются сырьем другого и т. д. с выпус^м однотипной или разнотипной продукции I, II, ^. Особым видом безотходного производства является бессточная система использования воды, при которой ие менее 90 % ее находится в водооборотном цикле и не более 10 % приходится на подпитку свежей водой.
Очистка и обезвреживание сточных вод. Очистку сточных вод осуществляют в очистных сооружениях, которые являются неотъемлемой частью современного промышленного предприятия. Очистные сооружения являются весьма дорогостоящими и поэтому сокращение объема стоков имеет большое экономическое значение. В промышленности применяют три типа очистных сооружений: внутрицеховые (локальные), общезаводские (внепло- щадные), районные или городские.
Внутрицеховая очистка сточных вод имеет большое санитарное и экономическое значение. На локальных установках, куда обычно поступает сравнительно небольшое количество наиболее концентрированных сточных вод, можно добиться наибольшего эффекта их очистки, использовать выделенные ценные вещества и очищенную воду вновь направить на производство. После цеховой очистки сточные воды направляют на общезаводские сооружения, расположенные вне территории предприятия.
Реагент Оля неитрасиbqqullРеагент Оля неитрасиbqqullпроизбодстбопроизбодстбоСточная во-Сточная во-Отдубка SO2 и H2SОтдубка SO2 и H2SВоздух 5Воздух 57474ный и力ный и力6 водоем I6 водоем IАктибныСгАктибныСг7喲 fl7喲 flсо3 ВоздухРезенериробаннмСг актиЬнва илсо3 ВоздухРезенериробаннмСг актиЬнва ил^Стогна 分 Питательные 2 I дода соли. N и Р^Стогна 分 Питательные 2 I дода соли. N и РЗа на осветлениеЗа на осветлениеЦиркулирующий и〃Циркулирующий и〃Избыточный и〃Избыточный и〃
Реагент Оля неитрасиbqqull
Реагент Оля неитрасиbqqull
произбодстбо
произбодстбо
Сточная во-
Сточная во-
Отдубка SO2 и H2S
Отдубка SO2 и H2S
Воздух 5
Воздух 5
74
74
ный и力
ный и力
6 водоем I
6 водоем I
АктибныСг
АктибныСг
7喲 fl
7喲 fl
со3 Воздух
РезенериробаннмСг актиЬнва ил
со3 Воздух
РезенериробаннмСг актиЬнва ил
^Стогна 分 Питательные 2 I дода соли. N и Р
^Стогна 分 Питательные 2 I дода соли. N и Р
За на осветление
За на осветление
Циркулирующий и〃
Циркулирующий и〃
Избыточный и〃
Избыточный и〃
рИс. 35. Схема биологической очистки щелокосодержащих сточных вод:
/ — вако-фильтр; 2 — смеситель； 3 — аэратор; 4 — аэротенк； 5 — вторичный отстойник; 6 — иловый резервуар; 7 — иловый насос； 8 — илоуплотиитель; Р — вакуум-фильтр; 10 — транспортер; II — барабанная сушилка; /2 — бункер； /3 — вагонетка； /4 — регенератор ила
Выбор метода очистки сточных вод зависит от фазово-дисперсного состояния примесей, концентрации, физико-химических свойств примесей, количества сточных вод, необходимой степени очистки и т. п. Наиболее эффективным методом очистки сточных вод является биологический.
Биологическая очистка сточных вод основана на разрушении органических веществ, загрязняющих воду, быстро размножающимися бактериями активного ила. Обезвреживание сводится к окислительным процессам, в результате которых происходит глубокое изменение химического состава сточных вод и минерализация органических «веществ. Конечным продуктом окисления являются для углерода ——СО2； азота ——NOT； серы — SOl~; фосфора—РО『； водорода — Н2О.
Для жизнедеятельности бактерий активного ила требуются определенные условия. Поэтому сточные воды (рис. 35) бначале нейтрализуют до pH 6,5—7, обогащают питательными солями
азота и фосфора, продувают воздухом для удаления серосодер' жащих компонентов (двуокиси серы и сероводорода). После этого стоки направляют\в аэротенки с активным илом, а затем во вторичные отстойники, где активный ил осаждается, а освет~ ленная жидкость сбрасывается в канализацию. БПК5 очищенных биологических стоков для сульфатно-целлюлозного производства составляет 10—20 мг/л. .Если эффект очистки в аэротенках ока一 зывается недостаточным, применяют коагулирование (укрупне- нне) сульфатом алюминия вредйых и окрашивающих веществ с добавлением полиакриламида.
Процесс очистки, осуществляемый в аэротенке, происходит при аэрации протекающей че(рез него смеси сточной воды и активного ила. Аэрация обеспечивает кислородом смесь и поддерживает йл во взвешенном состоянии. В активный ил, представляющий собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов, входят различные физиологические группы бактерий, плесневые и дрожжевые грибы, а также разнообразные микроскопические животные —простейшие, коловратки, черви. Смесь сточной воды и активного ила (иловая смесь), аэрируется в течение 6—12 ч и затем направляется во вторичные ртстойники, где происходит осаждение ила. Очищенная рода может быть спущена в водоем» а активный ил возвращается в аэротенки, где смешивается с новыми порциями неочищенной воды. В результате непрерывно происходящего размножения микроорганизмов количество ила постоянно увеличивается. Избыток ила удаляется из аэрационной системы, уплотняется в илоуплотнителе и направляется на дальнейшую обработку.
Очистка газопылевых выбросов. Для улавливания пыли и поглощения газов промышленных выбросов применяют' три вида аппаратов: сухие, мокрые и электростатические. К сухим пылеулавливающим аппаратам относятся пылевые камеры, циклоны,, жалюзийные аппараты, тканевые и волокнистые фильтры; к мокрым — скрубберы (полые, насадочные, центробежные и мокропрутковые), мокрые циклоны, барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури* и т. д.; к электростатическим — электрофильтры.
СПИСОК Ж1ЮЛ^№9Ш^ И рбкоМендуемоя литературы
Иванов С. Н. Технология бумаги. М-, 1970. 695 с.
Корольков И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М.> 1978. 263 с.
Непеиии Н. Н. Технология целлюлозы. Т. 1. М., 1976. 624 с.
*4. Непении Ю. Н. Технология целлюлозы. Т. 2. М., 1963. 936 с.
5. Никитин В. М. Теоретические основы делигнификации. М., 1981. 294 с.
*6. Никитин В. М., Оболенская А. В” Щеголев В. П. Химия древесины н целлюлозы. М., 1978. 367 с.
Оборудование целлюлозно-бумажного производства/В. А. Чичаев, А. А. Васильев, И. А. Васильев и др. Т. 1. М., 1981. 368 с.
Оборудование целлюлозно-бумажного производства/В. А. Чичаев,. М. Л. Глезин, В. А. Екимова и др. Т. 2. М., 1981. 262 с.
I 9.?0чистка и рекуперации промышленным.
И. В. Вольф, Л. Н. Григорьев и др. М.,丄981.网 & -' 0r耳利，
Сапотницкий С. А. Использование сульфитных ш^йЙ^*
Технология гидролизных производств/В. И. Шарко! г 二一：
О. А. Дмитриева, И. Ф. Туманов. М., 1973. 406 с.'‘ 為 ^^^^₽?^：Т
Технология и оборудование лесохимических производств/Л.百吠 ^^Й*^
В. В. Фефилов, С. О. Скворцов, В. И. Лисов. М., 1979. 228 с.* 二 ,
13. Фляте Д. М. Свойства бумаги. М., 1976. 648 с.「宀* t；
КрылаЮв Ю. А., Ковериииский И. Н. Материалы для проклейки ByMlhi и картона. М., 1982.
Поляков Ю. А., Рощин В. И. Производство сульфатной целлюлозы/ М«, 1979.375 с.
Пономарев О. И., Шапиро В. О. Современные технологические процессы и оборудование для производства целлюлозно-бумажной продукции за рубежом； М., 1981. 39 с.—
Рощии В. И., Носова С. И. Отбелка целлюлозы. М., 1977.. 303 с/
Соломко В. С. Основные достижения в развитии целлюлозно-бумажной промышленности. М., 1981. 52 с.
Шитов А. Ф. Технология целлюлозно-бумажного производства. М^ 1978/381 с.~
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение •• •
33Раздел I
3
3
ТЕХНОЛОГИЯ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Глава 1. Технология целлюлозы 7
Технологическая целлюлоза и методы ее производства ....7
Растительное сырье для производства волокнистых полуфабри- <
катов : 12
Хранение древесины и ее подготовка для производства волокни-, стых полуфабрикатов . •・.•/ • 照
Производство сульфатной целлюлозы '•.Зи
Производство Сульфитной целлюлозы*・/Й
Другие промышленные методы получения целлюлозы 62
Производство полуцеллюлозы и целлюлозы высокого выхода -
(ЦВВ) 囂
Промывка целлюлозы 盟
Очистка целлюлозы*•' 禦
Отбелка и облагораживание волокнистых полуфабрикатов .・・^
Глава 2. Производство древесной массы *• gg
§ 11. Производство дефибрерной древесной массы•器
Производство рафинерной древесной массы . . •，夢
^лава 3. Переработка макулатурной массы v*
Раздел И
ТЕХНОЛОГИЯ БУМАГИ И КАРТОНА
лава 4. Производство бумаги
§ 13. Классификация и свойства бумаги
§ 14. Общая схема производства бумаги и приготовление
массы
I
3
F
Г I 力 Л д 刃 в а з< о а
Изготовление бумаги на бумагоделательной машине
Классификация бумато- и картонодёлательных машин
Новые методы формирования бумажного листа
Глава 5. Производство картона
Классификация картонов *
Подготовка массы
Изготовление картона на к叩тоноделательннх машинах
Раздел III
ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОЛИЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Глава 6. Гидролиз растительного сырья
Характеристика продукции гидролизного производства
Основы теории гидролиза растительного сырья
Гидролизное сырье и его характеристика
Техника и технология гидролиза *..
Состав гидролизатов и очистка их от примесей
Использование сульфитных щелоков для биохимической переработки Глава 7. Биохимическая переработка гидролизата н сульфитных щелоков *
Производство белковых дрожжей
Производство этилового спирта и углекислоты
Глава 8. Основные технико-экономические показатели гидролизных производств
°5162022222323
293031333440^
11 и и и i и 11
44444850
и 1 и и
В] п п( Н( аrj ai W ж к м< П2В] п п( Н( аrj ai W ж к м< П251515354555863636667то^и и и и и и 1 и и 1 и и51515354555863636667то^и и и и и и 1 и и 1 и и747578808211 и i i и747578808211 и i i и
В] п п( Н( а
rj ai W ж к м< П2
В] п п( Н( а
rj ai W ж к м< П2
51515354555863636667то^и и и и и и 1 и и 1 и и
51515354555863636667то^и и и и и и 1 и и 1 и и
7475788082
11 и i i и
7475788082
11 и i i и
Раздел IV
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Глава 9. Термическое разложение древесины
Характеристика основных товарных продуктов пиролиза и их применение .
Технологическая схема и основы теории пиролиза древесины ..
Характеристика сырья и его подготовка к пиролизу
Техника пиролиза древесины
Переработка продуктов пиролиза Глава Ю. Канифольно-скипидариое производство
Сырье,' его характеристика и подготовка к переработке
Переработка живицы
Переработка осмола
Получение лесохимических продуктов на основе побочных продуктов сульфатцеллюлозного производства
Технико-экономические показатели лесохимических производств
Раздел V
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Глава 11. Характеристика промышленных выбросов
Сточные воды и их влияние на окружающую среду
Газопылевые выбросы и их влияние иа окружающую среду . * . Глава 12. Методы сокращения промышленных выбросов и их очистка Список использованной и рекомендуемой литературы
це・
CHJ
М.
азота и фосфора» продувают воздухом для удаления серосодержащих компонентов (двуокиси серы и сероводорода). После этого стоки направляют* в аэротенки с активным илом, а затем во вторичные отстойники, где активный ил осаждается, а осветленная жидкость сбрасывается в канализацию. ВПКл очищенных биологических стоков для сульфатно-целлюлозного производства составляет 10—20 мг/л. Если эффект очистки в аэротенках ока* зывается недостаточным, применяют коагулирование (укрупнение) сульфатом алюминия вредных и окрашивающих веществ с добавлением полиакриламида.
Процесс очистки, осуществляемый в аэротенке, происходит при аэрации протекающей через него смеси сточной воды и активного ила. Аэрация обеспечивает кислородом смесь и поддерживает ил во взвешенном состоянии. В активный ил, представляющий собой биоценоз микроорганизмов-минерализаторов, входят различные физиологические группы бактерий, плесневые и дрожжевые грибы, а также разнообразные микроскопические животные——простейшие, коловратки, черви. Смесь сточной воды и активного ила (иловая смесь) аэрируется в течение 6——12 ч и затем направляется во вторичные отстойники, где происходит осаждение ила. Очищенная вода может быть спущена в водоем^ а активный ил возвращается в аэротенки, где смешивается с новыми порциями неочищенной воды. В результате непрерывно происходящего размножения микроорганизмов количество ила постоянно увеличивается. Избыток ила удаляется из аэрационной системы, уплотняется в илоуплотнителе и направляется иа дальнейшую обработку.
Очистка газопылевых выбросов. Для улавливания пыли и поглощения газов промышленных выбросов применяют три вида аппаратов： сухие, мокрые и электростатические. К сухим пылеулавливающим аппаратам относятся пылевые камеры, циклоны» жалюзийные аппараты, тканевые и волокнистые фильтры; к мокрым — скрубберы (полые, насадочные, центробежные и мокропрутковые), мокрые циклоны, барботажные и пенные аппараты, струйные газопромыватели, аппараты Вентури* и т. д.; к электростатическим — электрофильтры.
СПИСОК тшшйокйяша Й Р£КОМЕНД¥ёМОЯ литературы
戈 Иванов С. Н. Технология бумаги. М・，1970, 695 с.
Корольков И. И. Перколяционный гидролиз растительного сырья. М., 1978. 263 с.
Непенин Н. Н. Технология целлюлозы. Т. 1. М., 1976. 624 с.
, Непеиян Ю. Н. Технология целлюлозы. Т. 2. М., 1963. 936 с.
Никитин В. М. Теоретические основы делигнификации. М., 1981. 294 с.
. Никитин В. М., Оболенская А. В., Щеголев В. П. Химия древесины и целлюлозы. М., 1978. 367 с.л л D
Оборудование целлюлозн о- бу мажного производств а/В. А. Чичаев, А, А. Васильев, И. А. Васильев и др. Т. 1.1981. 368 с.
Оборудование целлюлозно-бумажного производства/В. А. Чичаев> М. Л. Глезин, В. А. Екимова и др. Т. 2. М., 1981. 262 с.
t 9.^Очистка и рекуперация промышленных выбросов/В. Ф. Максимов, И. В. Вольф, Л. Н. Григорьев и др. М., 1981. 639 с. „
Сапотницкий С. А. Использование сульфитных щелоков. М.., 1981. 224 с.
Технология гидролизных производств/В. И. Шарков, С. А. Сапотницкий, О. А. Дмитриева, И. Ф. Туманов. М.» 1973. 406 с.一
Технология и оборудование лесохимических производств/Л. В. Гордон, В. В. Фефилов, С. О. Скворцов, В. И. Лнсов. М.» 1979. 228 с.“
'13. Фляте Д. М. Свойства бумаги. М., 1976. 648 с.
Крыласов Ю. А., Ковернянскяй И. Н. Материалы для проклейки бумаги н картона. М., 1982.
Поляков Ю. А” Рощяи В. И. Производство сульфатной целлюлозы. М., 1979. 375 с.、，、
Пономарев О. Н・，Шапиро В. О. Современные технологические процессы и оборудование для производства целлюлозно-бумажной продукции за рубежом. М., ]981. 39 с.
Рощин В. И., Носова С. И- Отбелка целлюлозы. М., 1977. 303 с.
V 18. Соломко В. С. Основные достижения в развитии целлюлозно-бумажной промышленности. M.t 1981. 52 с.
Шитов А. Ф. Технология целлюлозно-бумажного производства. М“ 1978/381 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение •
Раздел I
ТЕХНОЛОГИЯ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Глава 1. Технология целлюлозы
Технологическая целлюлоза и методы ее производства ....
Растительное сырье для производства волокнистых полуфабрикатов :
3. Хранение древесины и ее подготовка для производства волокнистых полуфабрикатов・
Производство сульфатной целлюлозы
Производство сульфитной целлюлозы
Другие промышленные методы получения целлюлозы
Производство полуцеллюлозы и целлюлозы высокого выхода (UBB)
Промывка целлюлозы
Очистка целлюлозы
Отбелка и облагораживание волокнистых полуфабрикатов •..
Глава 2. Производство древесной массы
Производство дефибрерной древесной массы
Производство рафинерной древесной массы
Е л а в а 3. Переработка макулатурной массы
Раздел II
ТЕХНОЛОГИЯ БУМАГИ И КАРТОНА
3 43 4193048626365697280828587193048626365697280828587Глава 4. Производство бумаги * ... * 91
3 4
3 4
193048626365697280828587
193048626365697280828587
Классификация и свойства бумаги 91
Общая схема производства бумаги и приготовление бумажной массы 96
1 Граница- между бумагой и картоном условна, так как многие виды кар~
Sd.uuk 2(07й S)
Основы технологии химической переработки древесины. Ковернин- :工/й И. Н.: Учебное пособие для вузов. М., Лесная промышленность, 1984,—
Изложены основы технологии целлюлозно-бумажного, гидролизного и лесохимических производств, представляющих основные направления развития химической переработки древесины. В каждом производстве рассмотрены общие пеня* тия, назначение, теоретические основы, сырье, структура, основные процессы, продукция, технико-экономические показатели. Приведены краткие сведения об основном технологическом оборудовании, его производительности. Особое внимание уделено современным, более совершенным технологическим процессам, а также вопросам охраны природы.
Предназначено для студентов вузов инженерно-экономических факультетов, специализирующихся по экономике и организации целлюлозно-бумажного и лесохимических производств. В качестве технологического минимума будет полезным пособием при подготовке инженеров по автоматизированным системам управления, автоматизации и комплексной механизации хнмнко-технологнческих процессов, специализирующихся для работы в области химической переработки древесины.
Табл. 24, ил. 35, библногр.— 19 назв.
Рецензенты: кафедра технологии древесныхЛшт. плЛ-иков и бумаги и кафедра гидролизных производств Белорусского ДДЖДйаукого института; канд, техн, наук Л. В. ГОРДОН. 人.
Иван Николаевич Ковериинский
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Редактор издательства В. С. Р ы т е н к оПереплет художника О. А. КозноваХудожественный редактор Н. Н. КондратьеваТехнические редакторы В. В. Соколова, Н. М. СерегинаКорректоры И. Б. Шеманская, Ж. А. ЛобановаВычитка Е, Н. Соколовой
ИБ № 1563
Сдано в набор 05.12.83. Подписано в печать 21.03.84.Т-01290. Формат 60х90/'|б. Бумага
типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 11,5. Усл.кр.-отт. 11,5. Уч.-изд. л. 13,34. Тираж 2750 экз. Заказ 56. Цена 90 коп.
Ордена «Знак Почета» издательство «Лесная промышленность».
101000, Москва, ул. Кирова, 40-а
Ленинградская типография № 8 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая кннга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
1900СЮ, Ленинград, Прачечный переулок, 6
КК3003000000—046037(01)—843003000000—046037(01)—8459—8459—84© Издательство «Лесная промышленность», 1984 г.© Издательство «Лесная промышленность», 1984 г.
К
К
3003000000—046
037(01)—84
3003000000—046
037(01)—84
59—84
59—84
© Издательство «Лесная промышленность», 1984 г.
© Издательство «Лесная промышленность», 1984 г.