Наполнение котла щепой и кислотой

На 1 т воздушно-сухой целлюлозы, получаемой из котла (880 кг абсолютно сухой), в варочный котел должно быть загружено абсолютно сухой древесины

880,0: 0,50 = 1760 кг.

В котел вместе со щепой поступит воды в виде влаги

1760 · (40: 60) = 1173,3 кг/т

целлюлозы, или

1173,3 · (88,4: 1000) = 103,72 кг/м³

котла.

Примем, что расход пара на паровой уплотнитель составляет 0,2 т/т целлюлозы и что 90% этого пара конденсируются и остаются в котле. Конденсата пара тогда получим

200 · 0,9 = 180 кг/т

целлюлозы, или

180 · (88,4: 1000) = 15,91 кг/м³

котла.

Будем считать, что этот конденсат размещается целиком в пространстве между щепками. Тогда свободный объем в 1 м³ котла за вычетом объема, занятого щепой и конденсатом, составит

1000 − (400 + 15,91) = 584,09 л.

Примем, что при закачке варочной кислоты и перепуске жидкости в щепу впитывает 30% кислоты от объема щепы.

Объем закачиваемой кислоты на 1 м³ котла составит

584,09 + (0,30 · 400) = 704,09 л.

Общий объем кислоты в котле будет равен

704,09 · 320 = 225 308,8.

На 1 т целлюлозы закачивается регенерационной кислоты и перепускной жидкости

225 308,8: 28,288 = 7964,82 л.

С ними в котел поступает на 1 т целлюлозы:

7964,82 · 0,075 = 597,4 кг SO₂,

7964,82 · 0,007 = 55,75 кг Na₂O.

Кроме того, примем во внимание, что варочная кислота и перепускной щелок содержат некоторое количество органических веществ – сахаров, лигносульфоновых соединений и других веществ, перешедших в раствор от предыдущих варок. Ориентировочно примем количество органических растворенных веществ в регенерационной кислоте и перепускной жидкости равным 190 кг/т целлюлозы; тогда содержание их в кислоте составит

190 · 1000: 7964,82 = 23,85 г/л.

Общий приход веществ, поступающих в котел при загрузке щепы и закачке кислоты, приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Общий приход веществ при наполнении котла щепой и кислотой

Вещества, загруженные в котел	Поступило в котел при наполнении
со щепой	с паром при уплотнении	с кислотой и перепуском	всего
Вода, л	1173,3		7964,82	9318,12
Древесина, кг		—	—
Органические растворенные вещества, кг	—	—
SO2, кг	—	—	597,4	597,4
Na2O, кг	—	—	55,75	55,75

3.1.2 Заварка до 110 °С и пропитка

Во время подъема температуры до110 °С из котла с первыми сдувками уходит жидкость в количестве 5,0 % от общего ее объема (в соответствии с рисунком 3.1), что составит

9318,12 · 0,05 = 465,9 л/т

целлюлозы.

Среднее содержание SO₂ и Na₂O в удаляемой жидкости приблизительно составит (в соответствии с рисунком 3.1)

(6,1 + 5,2): 2 = 5,65 % SO₂,

(0,51 + 0,40): 2 = 0,46 % Na₂O.

Следовательно, с жидкостью уйдет

465,9 · (5,65: 100) = 26,32 кг SO₂,

465,9 · (0,46: 100) = 2,14 кг Na₂O.

Учитывая уплотнения щепы и пониженное отношение Na₂O: древесина, расход SO₂ на химические реакции примем равным 9,0 % от абсолютно сухой древесины и

условно отнесем его к периоду пропитки. Расход SO₂ составит

1760 · 0,09 = 158,4 кг/т

целлюлозы.

Общее количество жидкости в котле к концу заварки будут равно

9318,12 – 465,9 = 8852,22 л/т

целлюлозы.

При титре кислоты в конце стоянки: 4,5% SO₂ и 0,2% Na₂O (в соответствии с рисунком 3.1) в растворе будет содержаться

8852,22 · (4,5: 100) = 398,35 кг SO₂,

8852,22 · (0,2: 100) = 17,70 кг Na₂O.

Имея в виду, что в начале варки в котле было 597,4 кг SO₂, получим, что в виде газа с первой сдувкой из котла должно уйти SO₂

597,4 − (26,32 + 158,4 + 398,35) = 14,3 кг/т

целлюлозы.

Парообразование при первой сдувке вследствие относительно низких температур весьма незначительно, и для простоты его можно не учитывать.

Расход Na₂O на химические реакции составит

55,75 − (2,14 + 17,70) = 35,91 кг/т

целлюлозы.

За время заварки переходит в раствор органических веществ (в соответствии с рисунком 3.1):

100 – 93 = 7 %

от массы древесины.

На 1 т целлюлозы это составит

1760 · 0,07 = 123,2 кг.

Из них очень небольшая часть уходит со сдувочной жидкостью. Ко времени получения жидкости (в соответствии с рисунком 3.1) успевает перейти в раствор приблизительно 2,0 % веществ от древесины, или

1760 · 0,02 = 35,2 кг.

Средняя концентрация органических веществ в растворе с учетом веществ, поступивших в котел с кислотой и перепускной жидкостью, составит

(35,2 + 190) · 1000: 8852,22 = 25,44 г/л.

С 465,9 л сдувочной жидкости из котла уйдет органических веществ:

25,44 · 465,9: 1000 = 11,85 кг.

Таблица 3.2 – Итоговый материальный баланс заварки (на 1 т целлюлозы)

Вещества	Приход	Расход	Осталось в котле
от химических реакций	со сдувочной жидкостью	со сдувочными газами	на химические реакции	всего
Вода, л	—	465,9	—	—	465,9	8852,22
Древесина, кг	—	—	—	123,2	123,2	1636,8
Органические растворенные вещества, кг	123,2	11,85	—	—	11,85	301,35
SO2, кг	—	26,32	14,3	158,4	199,02	398,38
Na2O, кг	—	2,14	—	35,91	38,05	17,70

3.1.3 Подъем температуры до конечной и варка при конечной температуре (140 ºС)

Во время подъема температуры после стоянки на 110 °С производят перепуск щелока в следующий котел, с которым уходит 20,0 % общего первоначального объема жидкости, или

9318,12 · 0,20 = 1863,62 л/т

целлюлозы.

Среднее содержание SO₂ и Na₂O в сдувочной жидкости, спускаемой из варочного котла между 5,5 и 6,5 ч варки (в соответствии с рисунком 3.1), приблизительно составит

(4,0 + 3,2): 2 = 3,6 % SO₂,

(0,20 + 0,14): 2 = 0,17 % Na₂O.

Следовательно, с перепускной жидкостью из котла уходит

1863,62 · 3,6: 100 = 67,09 кг SO₂,

1863,62 · 0,17: 100 = 3,17 кг Na₂O.

Количество жидкости в котле к концу варки ориентировочно определим, приняв, что со сдувками уходит пара 40 кг/т целлюлозы. Тогда объем жидкости в котле к концу варки составит

8852,22 – 1863,62 – 40 = 6948,6 л/т

целлюлозы.

При содержании 1,5 % SO₂ и 0,1 % Na₂O (в соответствии с рисунком 3.1) в конечном щелоке остается

6948,6 · 1,5: 100 = 104,23 кг SO₂,

6948,6 · 0,1: 100 = 6,95 кг Na₂O.

Расход Na₂O на химические реакции по разности составит

17,70 − (3,17 + 6,95) = 7,58 кг.

Расход SO₂ на химические реакции мы условно целиком отнесли на период пропитки (заварки). Следовательно, уменьшение содержание SO₂ в щелоке должно было произойти за счет SO₂, уходящего со сдувками. В виде газообразного SO₂ должно уходить

398,38 − (67,09 + 104,23) = 227,06 кг SO₂.

Подсчитаем более точно, сколько уходит водяного пара со сдувками. Для упрощения допустим, что в газовом пространстве котла находится лишь SO₂ и водяной пар. Тогда, по закону Дальтона, общее давление в котле равно

p = p₁ + p₂,

где р₁ – парциальное давление водяного пара;

р₂ – парциальное давление SO₂.

Для каждого из котлов из газов можно написать уравнение Клапейрона- Менделеева:

– для водяного пара

p₁V = G₁R₁T,

– для SO₂

p₂V = G₂R₂T,

где р₁ – парциальное давление водяного пара, Па;

V – объем газовой смеси (примем его равным 1 м³);

G₁ – масса водяного пара, заключенного в этом объеме, кг;

R₁ – газовая постоянная водяного пара;

р₂ – парциальное давление SO₂, Па;

G₂ – масса SO₂, заключенного в объеме, кг;

R₂ – газовая постоянная SO₂;

T – абсолютная температура газовой смеси, К.

R₁ = 461,2 Дж/(кг·°С); R₂ = 129,8 Дж/(кг·°С).

В нашем случае сдувки во время варки начинаются через полчаса после окончания стоянки и продолжаются непрерывно до достижения температуры 140 °С. Средняя температура в котле за это время составляет

(116 + 140): 2 = 128 °С,

и, следовательно,

Т = 273 + 128 = 401 К.

Температуре 128 °С по таблицам насыщенного пара отвечает абсолютное давление водяного пара р₁ = 254 800 Па (2,6 кгс/см²). Примем, что в результате незначительных колебаний среднее избыточное давление в котле за время сдувки составляет 593 880 Па (6,06 кгс/см²). Общее абсолютное давление будет больше на 101 325 Па (на одну физическую атмосферу) [1], то есть будет равно

р = 593 880 + 101 325 = 695 205 Па.

Тогда парциальное давление SO₂ составит

р₂ = р − р₁ = 695 205 – 254 800 = 440 405 Па.

Найдем массу водяного пара в 1 м³ парогазовой смеси

G₁ = p₁V/R₁T = 254 800 · 1/(461,2 · 401) = 1,38 кг

и массу SO₂

G₂ = p₂V/R₂T = 440 405 · 1/(129,8 · 401) = 8,45 кг.

Доля водяного пара в газовой смеси составит

1,38: (1,38 + 8,45) · 100 = 14,1 %,

а для SO₂

8,45: (1,38 + 8,45) · 100 = 85,9 %.

По нашему расчету со сдувками ушло 227,06 кг SO₂; количество сопровождающих водяных паров составит

227,06 · (14,1: 85,9) = 37,3 кг.

Так как расхождение с предварительно принятой цифрой 40 кг/т целлюлозы получилось небольшим, оставляем ее без изменения.

К концу варки выход целлюлозы составляет 50 % от массы исходной древесины или

1760 · 0,50 = 880 кг.

После стоянки при температуре 110 °С оставалось нерастворенной древесины 1636,8 кг (таблица 3.2). Переходит в раствор органических веществ за время варки

1636,8 – 880 = 756,8 кг.

Из этого количества часть уходит со сдувками в виде газообразных и летучих веществ и часть – с перепускной жидкостью в виде растворенных веществ.

К началу перепуска, согласно кривой выхода (рисунком 3.1), в раствор переходит

100 – 85 = 15 %, или 1760 · 0,15 = 264 кг,

органических веществ от древесины, а к концу перепуска

100 – 70 = 30 %, или 1760 · 0,30 = 528 кг.

Из этих количеств 123,2 кг перешло в раствор за время заварки; следовательно, с момента начала подъема температуры в раствор перешло органических веществ: к началу перепуска

264 – 123,2 = 140,8 кг,

к концу перепуска

528 – 123,2 = 404,8 кг.

Вместе с 301,35 кг органических веществ, имеющихся в растворе после заварки (таблица 3.2), будем иметь органических веществ в растворе: к началу перепуска

140,8 + 301,35 = 442,15 кг,

к концу перепуска

404,8 + 301,35 = 706,15 кг.

К началу перепуска в котле находится 8852,22 л жидкости. Концентрация органических веществ в варочном растворе в этот момент равна

442,15 · (1000: 8852,22) = 49,95 г/л.

К концу перепуска со сдувками уйдет около 20 кг водяных паров; в котле останется жидкости

8852,22 − (1863,62 + 20) = 6968,6 л.

После перепуска концентрация органических веществ в растворе составит

706,15 · (1000: 6968,6) = 101,3 г/л.

Средняя концентрация органических веществ в растворе за время перепуска будет равна

(49,95 + 101,3): 2 = 75,6 г/л.

Следовательно, с перепуском из варочного котла уйдет растворенных органических веществ

75,6 · (1863,62: 1000) = 140,9 кг.

Всего за время заварки и варки со сдувочной и перепускной жидкостью уйдет растворенных органических веществ

11,85 + 140,9 = 152,75 кг.

Эти вещества перейдут в варочную кислоту для следующей варки. Мы приняли, что с варочной кислотой и перепускной жидкостью в котел поступает органических веществ 190 кг/т целлюлозы (таблица 3.1).

Количество газообразных и летучих продуктов, уходящих со сдувками, примем, по данным лаборатории ЛТА, в процентах от абсолютно сухой древесины: углекислого газа 0,75; ацетона 0,33; метилового спирта 0,48; фурфурола и цимола 2,20; уксусной кислоты 0,21; муравьиной кислоты 0,22; всего получим 3,99, или округленно 4 % от массы загруженной древесины [1]. В пересчете на 1 т целлюлозы

это составит

1760 · 0,04 = 70,4 кг.

За вычетом этих веществ из общего количества 756,8 кг органических веществ, перешедших в раствор при варке, останется в варочном растворе

756,8 – 70,4 = 686,4 кг.

Из них в свою очередь 140,9 кг уходит с перепускной жидкостью; остается в котле

686,9 – 140,9 = 545,5 кг.

Вместе с ранее имевшимися в варочном растворе 301,35 кг органических веществ это составит

545,5 + 301,35 = 846,85 кг.

Концентрация органических веществ в щелоке к концу варки будет равна

846,85 · (1000: 6948,6) = 121,87 г/л.

Итоговый материальный баланс на 1 т целлюлозы для периода варки представлен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Итоговый материальный баланс варки (на 1 т целлюлозы)

Вещества	Приход	Расход	Осталось в котле
от химических реакций	с перепускной жидкостью	со сдувочными газами	на химические реакции	всего
Вода (и пар), л (кг)	—	1863,62		—	1903,62	6948,6
Древесина (целлюлоза), кг	—	—	—	756,8	756,8
Органические вещества, кг: – газообразные и летучие – растворенные	70,4 686,4	— 140,9	70,4 —	— —	70,4 140,9	— 846,85
SO2, кг	—	67,09	227,06	—	294,15	104,23
Na2O, кг	—	3,17	—	7,58	10,75	6,95

Дата добавления: 2015-07-10