Производство сульфитной целлюлозы

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный университет леса

Кафедра химической технологии древесины и полимеров

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Органическая химия

 

Вариант 1.

Производство  сульфитной целлюлозы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы ЛХ–21:

Иванов Иван Иванович

(зач. №111011)

Проверил преподаватель

_______________________________

 

 

 

 

 

Москва, 2012 год

 

Содержание.

 

Введение.           3

Глава 1. Производство сульфитной целлюлозы.    5

1.1. Общая схема производства сульфитной целлюлозы.   5

1.2. Техника сульфитной варки.       8

1.3. Влияние основных факторов сульфитной варки на скорость

процесса, выход и качество целлюлозы.      12

1.4. Регенерация сернистого газа и тепла сдувок.    13

1.5. Технико-экономические показатели варки.     15

Заключение.          18

Список использованной литературы.      19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Лес – богатство, принадлежащее всему человечеству. Запасы древесины в лесах РФ все ещё огромны, несмотря на их интенсивное освоение. Велико значение леса как источника получения древесины и разнообразных 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 приобрела все большую значимость в качестве сырья для химической переработки. Одновременно сложилась теоретическая основа современной технологии химической переработки древесины – химия древесины – наука, на базе которой выросли целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая промышленности, представляющие неотъемлемые отрасли экономики. Проблема обеспечения всевозрастающих объемов производства промышленной продукции технологическим сырьем выгодно отличает древесное сырье перед другими природными сырьевыми источниками органических веществ (углем, нефтью, природным газом). Особенность древесного сырья – его быстрая естественная и непрерывная возобновляемость. Ежегодно за счет процесса фотосинтеза в ценные компоненты древесины превращается огромное количество углерода воздуха.

Химической переработкой древесины заняты целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая промышленности. Органически объединяемые видом перерабатываемого сырья –  древесиной, 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 настоящее время почти все виды бумаги и картона вырабатываются из древесной целлюлозы и других древесных волокнистых полуфабрикатов. Древесная целлюлоза – сырье для производства искусственного ацетатного и вискозного волокон, часть ее используется при изготовлении пластичных масс, бездымного пороха, лаков и др.

Гидролизное производство, являющееся одной из отраслей микробиологической промышленности, получило 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.

Лесохимическая промышленность объединяет несколько производств. 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. Использование живых элементов дерева – возникло на базе переработки практически не используемой древесной зелени. Получаемая из хвои хлорофиллокаротиновая паста и другие препараты используются в медицине и парфюмерии. Производство витаминной муки из древесной зелени – кормового средства для животноводства – обеспечило бы рациональную утилизацию огромного количества веток, хвои и листьев.

В связи с ростом цен на нефтехимические продукты и прогнозируемыми трудностями с сырьем древесину рассматривают как основной источник углеродсодержащего сырья для химического синтеза. Пока большая стоимость доставки древесины и отсутствие достаточно рентабельных способов ее химической переработки являются сдерживающими факторами. 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 органических веществ древесины.

 

Глава 1. Производство сульфитной целлюлозы.

1.1. 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. Общая схема производства сульфитной целлюлозы рассмотрена выше. 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:

Ca(HSO₃)₂ + SO₂ + H₂O

бисульфит кальция растворенный SO₂

или  CaSO₃ + H2SO₃ + SO₂ + Н₂O

 

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 CaO + SO₂). 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.

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 , pH=l,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 H₂SO₃, легко разлагается (особенно при повышенной температуре) на нерастворимый моносульфит кальция и сернистую кислоту:

Ca(HSO₃)₂ → CaSO3 + H₂SO₃ .

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°С), что удлиняет варку (12 – 18 ч), а невозможность повышения рН 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, Na₂O или (NH₄)₂O*, образующих с SO₂ водорастворимые MgSO₃, Na₂SO₃ и (NH₄)₂SO₃ вместо нерастворимого CaSO₃. Высокая стабильность кислоты на растворимых основаниях позволяет применять повышенные температуры варки, а хорошая растворимость бисульфитов магния Mg(HSO₃)₂ , натрия NaHSO₃ и аммония NH₄HSO₃ дает возможность в нужных случаях без осложнений увеличивать содержание основания в кислоте и поднимать рН варочного раствора вплоть до применения чисто бисульфитных (рН 4,5), а для натриевого и аммониевого оснований – нейтрально-сульфитных (рН 8—10) методов варки. Благодаря применению варочных растворов с широким интервалом значений рН (от 1 до 10) стало возможным в качестве сырья использовать 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 получением кислоты.

Получение сернистого ангидрида. Сернистый ангидрид получают сжиганием серосодержащего 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. Печные газы при концентрации в них сернистого ангидрида 16 – 18 % и температуре 1200—1300 °С выводятся из печи и направляются на охлаждение и очистку. Серный колчедан (пирит) представляет собой природный минерал состава FeS₂ 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 + 11O₂ = 2Fe₂O₃+8SO₂ . Концентрация SO₂ 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 °С, концентрацией 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 печных 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°С. 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 SO₂ 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 – 1,5 – 2 м). Башня полностью загружена камнями известняка (с содержанием СаСO₃ 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 + H₂O→ H₂SO₃.

Кислота, стекая по известняку, реагирует с ним, образуя бисульфит:

CaCO₃ + 2H₂SO₃ → Ca(HSO₃)₂ + CO₂ + H₂O. 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.