автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Совершенствование аппаратов для обработки сульфатной целлюлозы при отбелке на основе функционально-стоимостного анализа

п \ 9 ЖЗИНГРАЦСКШ ордена ЛЕНИНА

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С.М.КИРОВА

На, правах- рукописи.

НОВОСЕЛЬЦЕВ 'Олег Владимирович

< УДК 676.Г.02.023.1,'

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛШОЗЫ ПРИ ОТБШКЕ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА

05.21.03 "Технология и оборудование химической • . . переработал древесины: химия древесины". ,

АВТОРЕФЕРАТ . ' диссертации на соискание ученой степени.' кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена на кафедра процессов ж аппаратов химической технологии Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии им. С.М.Кирова.

— доктор технических наук, профессор КМИНИН H.H.

- доктор технических наук, , профессор ЖИМ Г.Л.

~ кандидат технических наук,

доцент ■ ФИАТОВ'Б.Н.

Центральный научно-исследовательский институт , целлюлозного и бумагоделательного машиностроения ~ (ЦНШБумМаш).

Защита состоится " Сь~" U.AOHJ- 1990 г.

, ■»,<? - -

в "/' часов на заседании специализированного-совета Д 063.50.02 в Ленинградской ордена Ленина лесотехнической академии .имени С.М.Кирова-по адресу:.

I970I8, Ленинград, Институтский пер., 5, библиотека кафедры целлюлозно-бумажного производства. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "с^" IhlUu^p 1990 г.

?

Ученый секретарь ——■

специализированного .совета Пономарев Д. А.

научный руководитель

оттиыт оппоненты вщщт прещшше

. ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.^Актуальность теш. Традиционный способ отбелки сульфат-наД'чцйдлилозы - сложный многоступенчатый химико-технологичес-"ТайГ процесс, характеризующийся большим расходом воды на промывку целлюлозы меяду ступенями и использованием агрессивных - и токсичных реагентов. Несовершенство применяемого для обработки целлюлозы при отбелке оборудования приводит к повышенному расходу реагентов и большому количеству (100—120 м3/т целлюлозы) трудноутилизируемых стоков и газовых выбросов.

Одной из основных причин, сдерживающих широкое внедрение новых способов огбелки, является недостаточная теоретическая проработка аппаратурного оформления отбелки целлюлозы при средней концентрации, отсутствие делевых и высокоэффективных аппаратов для обработки целлюлозы.

Поэтому большое практическое значение имеет проведение исследований по совершенствованию процесса огбелки, разработке принципиально нового оборудования и сокращению загрязнения окружающей среды.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с темами отраслевых планов НИР Минлесбумпрома СССР № 3358 "Интенсифицировать технологические процессы ЦБП на основе использования гидродинамических и теплофизических особенностей дисперсных систем" и № 1.23.037 "Усовершенствовать аппаратурное оформление процесса отбелки волокнистых полуфабрикатов с целью экономии химикатов и энергии", а также в соответствии с координационным планом НИР Академии наук СССР по направлению 2.3.1.С "Разработка технологических процессов отбелки и облагораживания целлюлозы и древесной массы и их транспортирование при высоких и средних концентрациях".

Целью работы является совершенствование аппаратов для обработки сульфатной целлюлозы при отбелке.

Научная новизна. Впервые использована методология функционально-стоимостного анализа для исследования химико-технологического процесса отбелки целлюлозы. Разработана и исследо-

■ • : ч . • % ; ' ' 4 • " • . -" вана математическая модель обработки целлюлозы в статических ' '

апцаратах в'ытеснёния." Теоретически обоснованы основные техно--' логические' требования 'к перспективному оборудованию для обра- ' ботки целлюлозной массы, Получены расчетные соотношения'дан ; -контроля процесса -отбелки целлюлозы гипохлоритом натрия,-кон- • структивных и режимных особенностей перспективных аппаратов. ' Разработан способ, регенерации химикатов из газовых выбросов '.' процесса многоступенчатой отбелки. Новизна технических решег ' ний подтверждается 12 'авторскими свидетельствами на изобретения. '. ' '. ' .' • . '

Практическая-ценность. Резработаны исходные данные для . проектирования способа регенерации химикатов из газовых выбро- . сов процесса многоступенчатой отбелки и способа автоматическо- , го управления процессом лтбелки .целлюлозы гипохлоритом натрия.' Теоретически-обоснованы.и разработаны конструкции аппаратов для обработки- пяллрлозной массы при отбелке, лабораторные ус-' . тройства для изучения фильтрационных свойств волокнистых- масс;

Реализация -работы. Статические смесители по а;с'..$1258914 внедрены на Производстве сульфатной беленой целлюлозы Котлас- . ского ЦБК. Аппараты по а.с. Ш258915 и по а.с. №1408004 -внедрег ны на Сульфат-целлюлозном производства Сыктывкарского ЛПК.-Устройство для изучения фильтрационных свойств волокнистых -масс по а.с. №1326995 используется: в научных исследованиях на кафедре процессов и аппаратов химической технологии ЛЛТА им. С.М.Кирова.

Фактический экономический эффект от использования в промышленности разработанных аппаратов за 198&-1987 годы составил 528,5 тыс.рублей, в том числе доля диссертанта составляет*90 тыс.руб.

Апробация -работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях ЛЛТА им. С.М.Кирова (1984-1987 гг.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Роль молодых ученых в повышении эффективности использования древесины и ее отходов в народном хо-зяйстве'в Архангельске (1986 г.), на 5-й Межреспубликанской: конференции молодых ученых "Исследования в области химии дре-

весины" В Риге (1938 г.), на Всесоюзной конференции "Теория и практика обучения техническому творчеству" в Челябинске (1988 г.). Аппарат по а.с. Я258914 демонстрировался в 1986 г. на ВДНХ СССР, где был удостоен диплома П степени.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликованы три статьи, тезисы трех докладов на научно-технических конференциях, 12 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора литературы, семи глав основных исследований, выводов, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 37 рисунков, 20 таблиц, библиографию 177 наименований. Общий объем работы 207 страниц, в том числе 106 страниц печатного текста, 20 страниц библиографии и 26 страниц приложения.

На защиту выносятся:

- результаты функционально-стоимостного анализа процесса отбелки сульфатной целлюлозы;

- теоретическое оби жовгняе и конструкции новых аппаратов для обработки целлюлозной массы;

- результаты апробирования и испытания разработок в производственных условиях.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана кратная характеристика работа, представлена структурная схема задач диссертационного исследования и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор литературы по современному состоянию и тенденциям развития процесса отбелки сульфатной целлюлозы.

Анализ литературных источников показал, что наиболее интенсивно развиваются в настоящее время О^отбелка, технология отбелки при средней (8-15& а.с.в,) концентрации целлюлозной массы, отбелка по методу вытеснения, оборудование для смешения целлюлозы с реагентами. Вгавлено, что основным сдерживающим развитие процесса отбелки целлюлозы фактором является не-

достаточная теоретическая проработка аппаратурного оформления отделяя целлюлозы при средней концентрации, отсутствие дешевых и эффективных аппаратов для смешения целлюлозы с гадкими и газообразными реагентами.

Обзор литературы показал также, что в развитии процесса отбелки слабо выражен системный и функциональный подходы, недостаточно освещены общие вопросы разработки принципиально нового оборудования для обработки целлюлозы. Шесте с тем известен положительный опыт использования в других отраслях промышленности функционально-стоимостного анализа (5СА) дяя создания новьгс и совершенствования действующих технических объектов.

В связи с Еншсизлокеннш сформулированы следующие задачи исследования:

- адаптировать традиционную методику 4СА к химико-технологическому процессу отбелки целлюлозы и провести анализ процесса отбелкп сульфатной целлюлозы;

- определить основные технологические требования к перспективному оборудований процесса отбелки целлюлозы;

- теоретически обосновать и разработать конструкции перспективных аппаратов для обработки целлюлозной массы и испытать их в промышленных условиях. .

Вторая глава посвящена анализу теоретических основ и принципов ФСА, основных объектов и методических форм анализа. Установлено, что применение разработанных ранее методик в том виде, в каком они традиционно используются, не представляется возможным, а исследование но,развитию процесса технологии и аппаратурного оформления целесообразно проводить в следующей последовательности: I. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности различных производственных способов отбелки и выбор базового объекта. 2. ФСА базового процесса отбелки, определение осноеных проблемных задач (то есть задач, содержащих технические противоречия) по его практическому совершенствованию и построение функционально-идеальной модели процесса отбелки.

3. Определение основных технологических требований к перспективному оборудованию с учетом особенностей целлюлозной массы.

4. Научное обоснование и разработка конструкции новых аппаратов и предложений по совершенствованию

процесса отбелки. 5. Оштно-промышленные испытания новых аппаратов и определение их эффективности в производственных условиях.

В третьей главе проведены результаты ФСА процесса отбелки сульфатной целлюлозы. Проведен анализ материальных и энергетических затрат процесса отбелки сульфатной целлюлозы различными способами, в результате чего установлено, что наиболее эффективной с точки зрения затрат и качества товарной белепой целлюлозы является схема отбелки ПСБЦ Котласского ЦБК, которая выбрана базовой. Стоимостный анализ базовой схемы выявил, что основная доля затрат при отбелке (без учета стоимости небеленой целлюлозы) приходится на химикаты (43,5%). Анализ распределения затрат на химикаты показал, что основные затраты приходятся на fifaQH (45,32?), CFOz (25,971?), С?2 (22,65%). При этом наибольшие затраты по ступеням приходятся на ступени отбелки диоксидом хлора (31,5$ и гляохяоритной обработки (25,7$). Таким образом наибольшие возможности для снижения себестоимости отбелки целлюлозы может дать исследование и совершенствование ступеней обработки диоксидом хлора и гипохлоритом натрия.

При проведении функционального анализа сформулированы основные и вспомогательные функции процесса отбелки, построена диаграмма FAST ступени отбелки, выявлены основные недостатки базовой схемы. Проведено функционально-идеальное моделирование процесса отбелки, направленное на формирование более совершенной технической системы, имеющей минимальное число элементов при обязательном выполнении ими необходимых функций.

В результата построения функциональной модели процесса отбелки установлено, что наиболее ванными задачами совершенствования процесса отбелки являются организация промывки целлюлозной массы без разбавления и сгущения, равномерное распределение реагентов з массе, контроль (регулирование) скорости реакции отбелки и сокращение, потерь химикатов со сточными водами и газовыми выбросами.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию одной из наиболее затратной гипохлоритной ступени в базовой схеме отбелки ПСБИ КЦБК. Сульфатную целлюлозу отбирали непос-

редетвенно с технологического потока после первой ступени щелочения, затем целлюлозу обрабатывали раствором гипохлорита натрия, взятом также из производственного потока. Концентрация массы - 12% а.с.в., расход А/аС£& - 15 кг/т, расход //аОМ - 2,5 кг/т. Опыты проводились при температуре 40,45,50,55,60°С. Начальное значение рН - 10,7, конечное - 8,6. Содержание активного хлора в массе определяли стандартным методом йодметричес-кого титрования, масса перемешивалась только в момент подвода реагентов, аналогично производственным условиям. Результаты экспериментальных кинетических зависимостей представлены на рис.1. Анализ внешнего вида зависимостей позволил сделать предположение, что изменение степени превращения активного хлора во времени можно описать уравнением - К-Т^ , где Ха - степень превращения активного хлора, £ - текущее время реакции; К , <х - коэффициенты. Значения параметров К ,<Х определяли исходя из условия минимального среднеквадратичного отклонения $ мевду расчетными и экспериментальными зависимостями Ха от Г' .

В - (Хм ' к■ (I)

Расчетные значения параметров зависимости =

ю Значения параметров

шх Т,°С К а 8

1 2 3 4 5 40 45 50 55 60 0,280 0,347 0,390 0,340 0,320 0,250 0,221 0,202 0,265 0,304 оюго^п ооооо

ср. 0,340 0,248 0,0335

Аналитическое исследование зависимости позволило получить расчетные соотношения для определения времени окончания реакции Г Со ■ с(

где сС- —т,—; С0, С-г, С2- концентрация реагента в массе в момент смешения и во время и Анализ лю-

тирующих стадий зависимости показал, что определяющей стадией реакции при данных условиях является внутридиффузионная, определяемая скоростью диффузии реагента внутрь волокна, а численное значение коэффициента # = 1/4, в отличие от известных зависимостей диффузионных процессов (где сс =1/2), можно объяснить на основе модели Фишера по зернограничной диффузии вещества. Это свидетельствует о наличии в целлюлозных волокнах зон с различным диффузионным сопротивлением.

ха

РисЛ. Зависимости степени превращена? активного хлора X. от вре,.ени -2-(а)) и -£3/4 (б)), л А

2-45^:, 3-50°С, 4-55&С, 5-60°С.

Одаог из возможных путей использования результатов экспериментального исследования могут быть разработанные нами исходные данные для проектирования способа автоматического управления процессом отбелки целлюлозы (а.с. №1430433), где используют расчетные соотношения для контроля за процессом отбелки.

Другим способом повышения эффективности процесса отбелки путем сокращения затрат на химикаты при одновременном сокращении загрязнения атмосферы токсичными соединениями хлора мокет быть разработанный нами способ регенерации химикатов из газовых выбросов процесса отбелки (а.с. #1263736), по которому очистку газовых выбросов проводят в две ступени, на первой из которых газы обрабатывают водным раствором ¿Ог. 0 восстановлением СВО^ в С£г, а на второй поглощение раствором А1аОН с образованием гйпохяорита, который используют в производстве.

Пятая глава посвящена определению основных технологических требований к перспективному оборудованию процесса отбелки с позиций общих закономерностей развития производственных объектов. Установлено, что для повышения эффективности производства беленой целлюлозы ' оптимальный путь развития заключается в одновременном увеличении производительности процесса и снижении затрат, что может быть достигнуто только при создании качественно новых способов обработки и оборудования процесса отбелки. Б результате исследования путей повышения производительности процесса отбелки установлено, что оптимальной форме технологического потока волокнистой массы в перспективных способах отвечает обработка "в трубе", то есть обработка в проточных аппаратах «икиндрического типа б виде кольцевых или плоских слоев. Движение целлюлозной массы при этом необходимо осуществлять непрерывно с постоянной скоростью на всех стадиях обработки без нарушения сплошности потока (т.е. без механического перемешивания), что практически позволяет реализовать обработку методом вытеснения. Концентрация целлюлозной массы на всех стадиях обработки не должна меняться и должна соответствовать 8-15$ а.с.в., то есть в целлюлозной массе должно быть минимально возмояноо количество свободной (физически и химически не связанной) жидкости.

В шестой главе приведены результаты теоретического анализа различных способов аппаратурного оформления процесса обработки целлюлозной массы в статических аппаратах. Разработана математическая модель процесса обработки целлюлозной массы (рис.2) при следующих допущениях:

- фильтрацией жидкости вдоль направления движения массы можно пренебречь, т.к. длина технологического потока Ь много больше его высоты В , ( );

- концентрация твердой фазы в потоке принята постоянной;

- коэффициент массопередачи ке зависит от концентрации (квазистационарное приближение для процессов внутри волокна).

В этих приближениях поля концентраций реагента в твердой и жидкой фазах описываются системой уравнений, полученных из уравнений материального баланса:

~и 4т

U/ ЪС-А

К

JI У 'У.

с граничными условиями

Н./^и^' Чро*0 (4)

где ц , [V- скорость движения целлюлозной массы и обрабатывающей жидкости; Сд, - концентрация реагента (продуктов реак- . ции) в твердой и жидких фазах; У- - продольные и поперечные координаты; У - массовая доля волокна со связанной жидкостью; у - влажность твердой фазы, К- коэффициент скорости реакции.

вытесненная Хидкосп

1 < (

tn

W V I \ i

жидкое^ но аЗраШгу (Ca =0/ Рис.2. Схема обработки массы

в статических аппаратах.

Вводя безразмерные переменные £.

-о, Л? * /у /* О ~св) ---О

о

'а

¿H к

4pí

п

т

-Л

Рис.3. Схема составления разностной формы • систеш уравнений модели.

г-JL

получим

(5)

Са

-о

(6)

где-

W-L

Ol

С?м

K'L

- - f. f'W- -К;./

¿¿•в <ум - и

Аналитическое решение систеш уравнений (5) и (6) затруднено, поэтому проведено численное исследование рассматриваемого процесса, поскольку анализ зависимости степеп обработки от безразмерных комплексов £ ; ; (учитывающих влияние конст-руктиЕшос и реиимных параметров, а также кинетических характеристик) представляет практический интерес. Для этого система уравнений (5) и (6) преобразована в разностную форму (рис.3).

г £2

н т ->

+ /"//¿¿¡Л* ^ // ¿7 ^

н

С&1, о - ¿V. 0 ~ 1 > ¿АР.К (8)

Значения Са1,к и лг были преобразованы в реккурентные соотношения, по которым на ЭШ "/\priCot" произведены по специально разработанной программе расчеты с использованием равномерных шагов лр = ¿^ =0,050 (л =т= 20). В результате расчетов установлено, что с ростом <£, различие между реальной степенью обработки ¡2 и идеальной степенью обработки Я с*> { £_»©<э ) уменьшается, то есть асимптотически стремится к I, причем с ростом и 4 это различие возрастает.

Далее рассмотрены варианты обработки массы при равномерном и дисьфетном способах подачи (отбора) обрабатывающей жидкости для целых значений £ . Задача оптимизации при этом была сформулирована в следующей постановке: при данном 0 (данном количестве обрабатывающей жидкости) найти значения числа зон обработки //, относительного количества обрабатывающей жидкости Aj в каждой зоне, и расположение отдельных зон ¿у для определения минимизирующего критерия оптимальности^ , т.е.

л ШИТ"1*"-

Проведено аналитическое исследование способов обработки при £ =1, 2, 3, > 3 и различных значениях Л/, ¿У • и в РезУ~ льтате сопоставления аналитических данных с данными численного интегрирования установлено, что заметного технологического эффекта можно достичь путем дискретизации подаода (отбора) обрабатывающей жидкости. Причем наибольший эффект достигается тогда, когда участки ввода (отбора) расположены на равном расстоянии друг от друга, причем на каждом участке подают (отводят) количество обрабатывающей жидкости, равное количеству свободной жидкости в обрабатывающей среде.

Кроме этого, проведен анализ работоспособности статических аппаратов с поперечно-противоточным движением целлюлозной массы и обрабатывающей жидкости и, на основании анализа полученных ранее Мокровским С.Н. закономерностей изменения свойств