Химико-технологические процессы в производстве целлюлозы и бумаги.

Подготовка сырья.

1. Получение древесной щепы.

Древесина поступает со склада в древесный цех, где подвергается распиловке и рубке. Полученная древесная щепа сортируется по размеру.

2. Получение варочной кислоты.

Сырьем для получения варочной кислоты являются газовая или природная сера и кальцинированная сода из нефелинового сырья. Варочную кислоту получают в кислотном цехе. В основе ее получения лежат следующие химические реакции:

а. Получение оксида серы (I V).

Реакцию горения серы за счет кислорода воздуха можно представить уравнением:

S + O₂ → SO₂ + 296 кДж.

С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S₂O₂ , молекулярной серы S₂, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO·. Дальнейший ход процесса можно представить следующим образом:

 

2S₂O₂ + O₂ → 2SO₂ + S₂;

S₂ + O₂ → 2SO·;

SO· + O₂ → SO₂ + O·;

SO· + O· → SO₂.

Параллельно может происходить образование серного ангидрида:

SO· + S₂O₂ → SO₃ + S₂.

При высокой температуре в зоне горения (выше 900°С) SO₃ диссоциирует на двуокись серы и кислород:

2SO₃ = 2SO₂ + O₂

Серу плавят в плавильнике при температуре 144°С, и сжигают в воздухе в стационарной серной печи при температуре 1100-1200°С и давлении 9316-10787 Па. Печной газ охлаждают и очищают водой сначала в скруббере (180-220°С) а далее в газопро­мывателе барботажного типа (50-60°С).

б. Приготовление раствора соды.

Раствор карбоната натрия готовят в двухходовой мешалке непрерыв­ного действия с лопастями. Содержание оксида натрия равно 5-6%.

в. Приготовление варочной кислоты.

Варочную кислоту получают в барботажной колонне поглощением сернистого газа разбавленным раствором соды по принципу противотока,

2SO₂ + Na₂CO₃ + H₂O → CO₂ + 2NaHSO₃ - ∆H.

 Реакция необратимая, гетерогенная, экзотермическая;

SO₂ + H₂O = H₂SO₃.

Реакция простая, обратимая. Варочная кислота имеет следующий состав: содержание оксида серы (IV) – 3,8%, оксида натрия – 1,0-1,2%; свободной сернистой кислоты в пересчете на ок­сид серы (IV) не менее 65%; рН + 1,5-2,5 (при бисульфитном способе варки в варочной кислоте практически не содержится свободного диоксида серы и рН кислоты равно 3,5-5,0).

Принципы управления химическими реакциями получения варочной кислоты.

1. Для реакции образования оксида серы (IV) – создание опти­мальных условий, при которых реакция Ж+Г протекает с возможно большей скоростью.

2. Для растворения оксида серы (IV) в растворе соды – созда­ние условий для смещения равновесия реакции типа Г+Ж в сторону образования продукта реакции и применение противотока для получения большей площади соприкосновения реагирующих веществ.

Процесс варки целлюлозы.

Технологическая схема процесса варки целлюлозы представлена на схеме 2, Древесная щепа из древесного цеха и варочная кислота из кислотного цеха поступают в варочный котел периодического действия. Варка целлюлозы ведется при 100-148°С и давлении 6 атм. Конец варки определяют по цвету щелока и по остатку оксида серы (IV). После окончания варки из варочного котла производится сдувка газа в регенерационную цистерну, снижается давление и вытесняется щелок, содержащий оксида серы (IV) не больше 0,08%, растворимых веществ - 1,8%, в танк при 65-70°С. После этого щелок пропускают через фильтр, улавливают волокна, затем щелок поступает на отдувочную колонну, где из него отдувается SO₂. Потом щелок передается в спиртодрожжевой цех для дальнейшей утилизации растворенных в нем веществ. В котле остается целлюлоза. Ее вымывают средними щелоками в сборник целлюлозной массы - буферную емкость, где она дополнительно разбавляется до получения однородной суспензии (массовая доля целлюлозы доводится до 1-1,5%).

Далее раствор целлюлозы подвергается очистке в центробежных сучколовителях, центробежных сортировках и центроклинерах, посту­пает на БГВК для сгущения. Сгущенная целлюлозная масса разбавляется до концентрации 3-4% и отправляется в цех по производству бумаги.

Предполагаемая технология отбелки перекисью водорода.

Проект отбелки целлюлозы разрабатывается Санкт-Петербургским ГИПРОБУМом (государственным институтом производства бумаги). В основе проекта заложена схема отбелки целлюлозы перекисью водорода с добавлением кислорода.

 

Производство бумаги.

Производство бумаги показано на схеме 3. Жидковолокнистая масса, содержащая 2,5-3% целлюлозы из массного бассейна идет на размол. Полученная жидкая однородная суспензия целлюлозы посту­пает на составление композиций различных видов бумаги путем добавления древесной массы, а также клея (для придания водоотталкивающих свойств, для повышения сил связи между волокнами, придания бумаге жесткости и звонкости), глинозема (для закрепления клея на волокне, повышения удерживаемости мелкого волокна и наполнителя), наполнителей, таких как каолин, мел и др. (для улучшения печатных свойств бумаги, повышения гладкости) и лоска после каландирования, повышения непрозрачности и снижения себестоимости) и красящих веществ (для устранения нежелательных серых, желтых тонов в бумаге, для окраски и подцветки). Составленная ком­позиция бумажной массы аккумулируется в бассейне, откуда поступа­ет на бумагоделательные машины.

Отходы бумаги (оборотный брак) возвращаются для составления композиций.

В производстве бумаги используется оборотная вода.

Бумага с БДМ перерезается на ПРС (продольно режущих станках) в рулоны, упаковывается, маркируется и отправляется на склад готовой продукции. Обрезки с ПРС превращают в бумажную массу, которую перерабатывают в бумагу. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска некоторая часть видов бумаг пропускается через супер-каландр.

 

Центроклинеры (дополнительная очистка целлюлозы)

Сучколовитель центробежный (грубая очистка целлюлозы)

Варочный котел (получение целлюлозы)

Схема 2. Технологическая схема производства целлюлозы.

Оборотная вода

Однородная целлюлозная масса

Мельницы (размол целлюлозной массы)

Составление композиций (получение композиций бумаги)

Схема 3. Технологическая схема получения бумаги.

Очистка бумажной массы и поступление на БДМ

Разбавление композиционной массы оборотной водой до концентрации 0,5-1%

Целлюлозная масса

Красящие в-ва

Наполнители

Клей

Древесная масса

Накат

Отходы, оборотный брак

Каландр (каландирование бумаги)

Сушильная часть

Напорный ящик

Прессовая часть (получение бумажного полотна)

Сеточная часть (обезвоживание бумажной массы)

Б Д М

Массный бассейн для жидковолокнистых материалов

9. Производство спирта, кормовых дрожжей и крепителя.

 

При переходе на бисульфитную варку (на магниевом основании) целлюлозы, спирт, как побочный продукт получать не будут.

Взаимосвязи отделений цеха показаны на схеме 4.

Получение спирта.

Сырье - сульфитный щелок, образовавшийся в результате гидролиза гемицеллюлозы и целлюлозы, содержащий 2% глюкозы, и 7-8% солей лигносульфоновых кислот, имеет кислую реакцию. Щелок нейтрализует в нейтрализаторе (нейтрализационное отделение) вначале раствором кальцинированной соды и известковой водой, затем 25% раствором аммиачной воды:

Na₂CO₃ + H₂SO₃ → Na₂ SO₃ + H₂O + CO₂ – ΔH;

H₂SO₃ + C a(OH)₂ → CaSO₃  + H₂O – ΔH;

H₂SO₃ + 2NH₄OH → (NH₄)₂SO₃ + H₂O – ΔH .

Нейтрализованный до рН 4,5-5 щелок очищают от осадка в отстойниках башенного типа и охлаждают с 80°С до 28-34°С в теплообменниках, в результате получают щелок-сусло. Щелок-сусло поступает в бродильное отделение, в котором находятся четыре бродильные батареи, состо­ящих из головных и хвостовых активаторов. Сусло подается в головной активатор, куда добавляются дрожжи и воздух. Рост и размножение дрожжевого грибка требует источника энергии. Таким источником яв­ляется глюкоза сусла. Под воздействием ферментов дрожжей идет аэ­робное спиртовое брожение глюкозы (окисление), приводящее к образо­ванию этанола и углекислого газа. Энергия, выделяемая при окислении глюкозы, аккумулируется в макроэргические связи АТФ, а также выделя­ется свободно. Энергия АТФ утилизируется в связях вновь синтези­руемых веществ при росте и делении дрожжевых клеток (идет на топление дрожжевой массы):

C₆H₁₂O₆                        CO₂ + 2C₂H₅OH – ΔH

Реакция брожения начинается в головных активаторах и заканчи­вается в хвостовых. Образуется брага, содержащая 0,5-0,9% спирта. Брага, подогретая водяным паром до 60-70°С, подается в ректификационную часть. В бражной колонне отделяется барда и получается водный раствор этанола с массовой долей 25%. Такой раствор спирта поступает сначала в метанольную, затем в этанольную ректификационные колонны. В первой улавливается метанол, во второй - этанол. Этанол получают в виде концентрированного раствора с массовой долей 94-96%.