Форсунки для вспрыскивания щелока в топки СРК.

Выпарка щелоков

5.1 Физические свойства черного щелока

К наиболее важным физическим свойствам черного щелока как объекта выпарки относятся: плотность, вязкость, теплоем­кость, температура кипения, поверхностное натяжение.

Черный щелок натронной и сульфатной варки практически имеет одинаковые физические свойства, однако порода подверг­нутой варке древесины, степень провара целлюлозы и условия варки (в частности, расход активной щелочи), оказывают на фи­зические свойства щелока заметное влияние.

Плотность щелока связана с его концентрацией соотноше­нием

у=Ув+0-Ув/ус)Л (5.1)

где у - плотность черного щелока, г/см; у„ — плотность воды (при той же температуре), г/см; у_с плотность сухого остатка, г/см; Р - концентрация сухого остатка в щелоке, гУсм~.

Плотность сухого остатка в зависимости от условий варки колеблется в пределах у_с = 1,8...2,1 г/см³. При варке мягкой цел­люлозы с относительно большим расходом щелочи плотность су­хого остатка выше, в случае варки жесткой целлюлозы - ниже.

Без особого ущерба для точности технических расчетов можно принять у_с = 2 г/см³ и у_в = 1 г/см³. Тогда из (5.1) полу­чается:

у- 1 t 0,5/> = 1/(1 -0,005-й),

где Ъ - концентрация сухого остатка в щелоке, %.

С повышением температуры плотность щелока уменьшается вследствие объемного расширения воды. При производственном контроле пользуются специальными таблицами для щелоков, от­ражающими изменение их плотности в зависимости от тем­пературы. Такие таблицы имеются на каждом предприятии;-При изменении температуры на одинаковое число градусов плотность щелока изменяется на одну и ту же величину.

Динамическая вязкость щелока наиболее сильно зависит от его концентрации и температуры. Эта зависимость показана на рисунке 5.1. При умеренных концентрациях щелока его вязкость остается достаточно низкой при всех практически важных темпе­ратурах. С увеличением концентрации свыше 35...40 % динами­ческая вязкость резко возрастает, особенно при низких темпера­турах, вследствие появления структурной вязкости.

Рисунок 5.1 - Зависимость вязкости черного щелока от концентрации при разных температурах

Явление структурной вяз­
кости в концентрированном
щелоке связано с его тиксо-
тропными, реологическими

свойствами. При определении вязкости по скорости истечения численные значения вязкости возрастают с увеличением дав­ления. Это дает основание предполагать, что концентриро­ванный щелок образует про­странственную структуру, для разрушения которой требуется усилие сдвига; напряжение сдвига прямо пропорционально кон­центрации.

Теплоемкость черного щелока уменьшается с увеличением концентрации сухого остатка и практически не зависит от темпе-

ратуры вплоть до 100 °С. Теплоемкость черного сульфатного и натронного щелоков можно подсчитывать по эмпирическому уравнению

с = 4,19 (0,98 -0,0052-6),

где с - теплоемкость, кДж/(кг°С); b - концентрация сухого ос­татка, %.

Рисунок 5.2 - Повышение температуры кипения черного щелока в зависи­мости от концентрации

Рисунок 5.3 - Зависимость поверхностного натяжения черного щелока от концентрации сухого остатка и температуры

Температура кипения щелока выше, чем температура ки­пения воды при том же давлении, вследствие концентрационной депрессии. Повышение точки кипения является функцией кон­центрации сухого остатка и от давления практически не зависит. На рисунке 5.2 зависимость температурной депрессии от кон­центрации сухого остатка в щелоке представлена графически.

Поверхностное натяжение черного щелока по сравнению с поверхностным натяжением воды понижается за счет присутст­вия в нем поверхностно-активных веществ, но в то же время вы­сокая концентрация электролитов способствует повышению по­верхностного натяжения. На рисунке 5.3 представлена зависи­мость, полученная для производственного сульфатного щелока. До концентрации 20 % сухого вещества поверхностное натяже­ние падает с повышением концентрации, а при дальнейшем уве­личении концентрации возрастает, превышая при низких темпе­ратурах (25 °С) поверхностное натяжение воды.

Количество воды, которое должно быть удалено из щелока при выпарке (W, кг), может быть подсчитано по формуле

W=G(l-bJb_K),

где G - количество щелока, поступающего на выпарку, кг; Ь_и -начальная концентрация щелока, % сухого вещества, Ь_к — конеч­ная концентрация щелока после выпарки, % сухого вещества.

Количество воды, выпариваемой на 1 кг сухого вещества (W_ya, кг), определяется из выражения

W_y;i = [(100 - b_H)/b_H] - [(100 - b_K)/b_K].

При сжигании щелоков в современных содорегенерацион-ных агрегатах необходимо упаривать щелок■ до концентрации 60...65 % сухого вещества. При наличии в составе агрегатов кас­кадных или циклонных испарителей ограничиваются выпаркой до концентрации 50...55 %.

5.2 Теплообмен в выпарных аппаратах

Для выпарки черных щелоков применяют почти исключи­тельно многокорпусные вакуум-выпарные установки. Принцип

действия многокорпусной выпарки состоит в том, что в после­довательную работу включаются несколько выпарных аппаратов (корпусов); свежий греющий пар подается лишь в первый кор­пус, а остальные корпуса обогреваются вторичным (или соко­вым) паром из предыдущих корпусов.

За счет тепла конденсации 1 кг свежего греющего пара в многокорпусной батарее теоретически можно выпарить из щело­ка столько килограммов воды (эта величина называется эконо­мичностью выпарки), сколько корпусов в батарее. Практически вследствие тепловых потерь экономичность выпарки всегда не­сколько меньше, чем число корпусов.

Для современных выпарных станций можно принять вели­чины экономичности (в кг выпаренной воды на 1 кг свежего па­ра): для 5-корпусной батареи 3,5...4; 6-корпусной 4,2...4,8; 7-корпусной 5...5,5.

Для передачи тепла от греющего пара к кипящему щелоку в каждом корпусе должна быть обеспечена определенная разность температур, которую называют полезной разностью. Вторичный (соковый) пар, выделяющийся из кипящего щелока, всегда имеет более низкую температуру, чем греющий пар в том же корпусе. Так как вторичный пар перепускается в следующий корпус, где он является греющим, в каждом последующем корпусе темпера­тура греющего пара, кипящего щелока и вторичного пара ниже температуры тех же компонентов в предыдущем корпусе. Следо­вательно, в многокорпусной батарее температура непрерывно па­дает, начиная от температуры греющего пара первого корпуса и кончая температурой вторичного пара последнего корпуса. Соот­ветственно этому снижается и давление в корпусах. Для обогрева первого корпуса используют отборный пар от паровых турбин давлением 0,25...0,4 МПа, а в щелоковом пространстве последне­го корпуса создают разрежение с абсолютным давлением 8... 15 кПа. В результате по всей батарее выпарных аппаратов устанав­ливается общая разность температур порядка 80...90 °С.

Общая разность температур между греющим паром первого корпуса и вторичным паром последнего корпуса не полностью

используется для передачи тепла от греющего пара к кипящему
щелоку из-за температурных потерь на концентрационную де­
прессию, гидростатическое давление и сопротивление в паропро­
водах.,.

Паропроизводительность отдельных корпусов выпарной ба­тареи прямо пропорциональна произведению коэффициента теп­лопередачи на полезную разность температур. Для интенсифика­ции работы выпарных станций необходимо осуществлять меро­приятия для улучшения условий теплопередачи и повышения по­лезной разности температур.

Общий коэффициент теплопередачи при выпарке щелока (К, кДж/м~-ч-°С) определяется по формуле

________ 1______

_а ___^__ __{5 (52)}

а. А., ~К_г а ₂

где: <Х| _ коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке труб, кДж/м*-ч°С\ Ь\ - толщина стенки труб, м; \_t - коэффици­ент теплопроводности стенки труб, кДж/м'-ч°С; 8₂ - толщина слоя накипи (осадка) со стороны щелока, м; л₂ - коэффициент те­плопроводности накипи, кДж/м -ч°С\ а₂ - коэффициент тепло­отдачи от стенки труб к кипящему щелоку, кДж/м~-ч°С.

Коэффициент теплоотдачи от чистого насыщенного водяно­го пара к поверхности нагрева очень высок (5000...10000 кДж:/м'-ч-°С). Небольшие примеси воздуха и других неконденси­рующихся газов могут в 3...4 раза понизить коэффициент тепло­отдачи от греющего пара и, соответственно, общий коэффициент теплопередачи. При выпарке, в особенности в последних корпу­сах, где давление понижено, из щелока выделяются заметные ко­личества растворенного воздуха и газов (главным образом серо­водорода). Необходимо своевременно удалять накапливающиеся газы из греющих камер, что обычно делается путем непосредст­венного соединения их на короткое время с вакуум-насосом.

Из двух коэффициентов теплоотдачи (а, и а₂) меньшее зна­чение имеет коэффициент теплоотдачи от стенки труб кипящему щелоку а₂, поэтому главным образом от его величины зависит общий коэффициент теплопередачи К.

К числу основных факторов, влияющих на величину а₂, от­носятся вязкость щелока и скорость его движения относительно греющей поверхности.

Повышение вязкости щелока может привести к сильному снижению коэффициента теплоотдачи от стенок трубок к кипя­щему щелоку. Вязкость щелока резко возрастает с увеличением его концентрации выше 30...40 %. Этому можно в некоторой степени воспрепятствовать повышением температуры. В связи с этим на величину коэффициентов теплопередачи оказывает большое влияние система питания батареи щелоком.

Рисунок 5.4 - Схемы питания выпарных корпусов: А - прямоточная (1-2-3-4); Б - противоточная (4-3-2-1); В - смешанная (3-4-2-1); сплошные линии - щелок, пунктирные - пар

При прямоточной системе питания щелок переходит из кор­пуса в корпус в одном направлении с движением пара - от перво­го корпуса к последнему (рисунок 5.4 А). Так как давление и те^т,, пература снижаются также от первого к последнему корпусу, ще­лок перетекает из аппарата в аппарат под действием разности давлений, без применения насосов, и не подогревается между ап­паратами. Однако при этом наиболее концентрированный щелок оказывается в последних корпусах с самыми низкими температу­рами, что приводит к значительному возрастанию вязкости и со­ответственно к резкому снижению коэффициентов теплопереда­чи по сравнению с первыми корпусами. Это обстоятельство яви­лось главной причиной отказа от прямоточных систем питания при выпарке щелоков.

При противоточной системе питания (рисунок 5.4 Б) наибо­лее концентрированный щелок выпаривается в первых корпусах, где температура наиболее высокая, что способствует снижению вязкости и более или менее выравнивает значения коэффициен­тов теплопередачи во всех корпусах батареи. К недостаткам про-тивоточных схем относится необходимость установки дополни­тельных насосов и подогревателей щелока между выпарными ап­паратами. Тем не менее противоточиые схемы используются на многих целлюлозных заводах (главным образом американских).

("мешанные схемы питания (рисунок 5.4, В) наиболее широ­ко применяются на европейских и российских предприятиях. Щелок с умеренной концентрацией (до 40 %) выпаривается в по­следних корпусах при низкой температуре по прямоточной схе­ме, а концентрированный - в первых корпусах при высокой тем­пературе с противоточным направлением движения. Это обеспе­чивает приемлемые величины а₂ во всех корпусах при меньшем количестве оборудования (насосов, подогревателей) в сравнении с чисто противоточными схемами.

Важным фактором, влияющим на коэффициент теплоотдачи со стороны щелока, является скорость движения щелока в трубах выпарного аппарата. Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к щелоку пропорционален скорости в степени 0,8. Большая ско­рость циркуляции, достигаемая в выпарных аппаратах пленоч-

ного типа (1...2 м/с) и в особенности в аппаратах с принуди­тельной циркуляцией (2...4 м/с) обусловливает относительно высокие коэффициенты теплопередачи в этих аппаратах.

Принудительную циркуляцию чаще всего используют в по­следнем по ходу щелока корпусе или в отдельном выпарном ап­парате (так называемом финишере или концентраторе), добав­ляемом к многокорпусной выпарной станции при выпарке щело­ка до особенно высоких концентраций - порядка 65 %.

Образование накипи и осадков на поверхности кипятильных труб в выпарных аппаратах приводит к значительному снижению коэффициентов теплопередачи. Осадки образуются как со сторо­ны щелока вследствие выпадения минеральных веществ и нали­пания органических веществ (главным образом мыла и мелкого волокна), так и со стороны пара в результате коррозии труб. Об­разование осадка толщиной всего в 1 мм может понизить коэф­фициент теплопередачи в 2 раза.

5.3 Подготовка щелока к выпарке

5.3.1 Отделение мыла

Перед подачей на выпарную станцию черный щелок должен быть возможно полнее освобожден от содержащегося в нем мы­ла. Присутствие в щелоке мыла, концентрация которого при вар­ке древесины сосны доходит до 15...20 г/дм³, ведет к сильному вспениванию щелока в выпарных аппаратах и к потере щелочи с перебросами пены из корпуса в корпус.

Выход мыла при щелочной варке зависит от содержания экстрактивных веществ в исходной древесине. С небольшой по­грешностью можно принять, что каждому 1 % содержания смол и жиров в древесине соответствует выход около 20 кг абсолютно сухого мыла на 1 т целлюлозы. Поскольку содержание смол и жиров в древесине сосны доходит до 8... 10 %, максимальный теоретический выход мыла при щелочной варке сосны составит 160...200 кг/т целлюлозы. Если принять среднее содержание экс­трактивных веществ для сосны 4 %, а для ели 2 %, получим

соответственные средние выходы мыла в щелоке после варки 8О кг/т для сосны и 40 кг/т для ели. Из сплавной древесины выхоД мыла меньше, чем из древесины сухопутной (железнодорожной) доставки, а из свежей - больше, чем из выдержанной.

Удаление мыла из щелока производится путем отстаивания в больших баках, служащих одновременно буферными аккумуля­торами резервного запаса щелока. Сульфатное мыло представля­ет собой смесь натриевых солей смоляных и жирных кислот. Плотность смеси этих кислот (называемой сырым талловым мас­лом) составляет 0,95...0,98 г/см³. Сырое сульфатное мыло, от­стаивающееся в баках, имеет гораздо меньшую плотность, так как содержит значительное количество пузырьков воздуха в виде пены. Поскольку плотность щелока, поступающего на выпарку, обычно составляет 1,075... 1,100 г/см (при 15 °С), мыло всплыва­ет на поверхность щелока. Отстаиванию предшествует физико-химический процесс отсолки, или коагуляции, коллоидных час­тиц мыла. При этом коллоидный раствор превращается в эмуль­сию, способную расслаиваться. Отсолка мыла происходит под действием электролитов, имеющихся в щелоке.

Основным фактором, влияющим на выделение мыла, явля­ется концентрация. Повышение концентрации щелока не только увеличивает скорость и полноту отделения мыла, но и способст­вует улучшению процесса выпарки, так как при этом уменьшает­ся ценообразование. Для увеличения концентрации щелока в от­стойных баках к нему прибавляют часть сгущенного щелока. Ко­личество сгущенного щелока, подлежащего возврату, можно под­считать из соотношения

G_r=G(b-b_H)/(b_K~b),

где G], G - расход соответственно сгущенного и жидкого щело­ка, кг/ч; b_K, b_a, b'~ концентрация соответственно сгущенного ще­лока, жидкого щелока, щелока после смешения, %.

Обычно щелок в баках укрепляют до плотности 1,12... 1,15 г/см (при 15 °С). На многих заводах дополнительное отстаива-

ние мыла с целью более полного его сбора производят из полу­упаренного щелока в промежуточных мылоотделителях, вклю­чаемых в схему выпарной станции. Плотность полуупаренного щелока при промежуточном отстаивании составляет 1,17... 1,20 г/см, что обеспечивает отсолку мыла за 45...60 мин. При отстаи­вании черного щелока только в баках перед выпаркой без возвра­та сгущенного щелока на доуплотнение удается собрать не более 40...45 % от общего количесгва мыла. При доуплотиении щелока за счет частичной рециркуляции сгущенного щелока коэффици­ент отсолки мыла повышается до 45...55 %, а при дополнитель­ном отстаивании в мылоотделителях в процессе выпарки - до 55...65%.

На заводах выход мыла при счерпывании его со щелока учитывают обычно по сырому мылу, содержащему от 20 до 50 % черного щелока в виде влаги. Практически выход мыла колеблет­ся в очень широких пределах; например, при варке сосновых ба­лансов - от 40 до 100 кг сырого мыла на 1 т целлюлозы.

Основную долю органических веществ сульфатного мыла составляют смоляные и жирные кислоты: более 80 % при варке сосны и до 70 % при варке ели. Сульфатное мыло из ели содер­жит больше нейтральных и нерастворимых в эфире веществ, чем сосновое мыло. Соотношение между жирными и смоляными ки­слотами в различных образцах мыла из древесины хвойных по­род, колеблется примерно от 40:60 % до 60:40 %. Среди жирных кислот преобладают линолевая, линоленовая, олеиновая и паль­митиновая, среди смоляных - декстропимаровая, абиетиновая и ее гомологи. Небольшая часть жирных и смоляных кислот оказывается окисленной до оксикислот. В минеральной части мыла содержится, кроме связанной щелочи, также небольшое количество карбоната натрия (0,2...0,3 %) и серы (около 0,3 %).

В качестве мылоотделителей применяются плоские и ци­линдрические аппараты. Плоский мылоотделитель имеет высоту 600...800 мм, ширину 2... 3 м, длину 10...15л*. При непрерывном медленном движении щелока мыло отделяется и стекает в сбор-

ник. Недостатком такой конструкции является большой унос Щё­
лока с мылом. "'

Этот недостаток устраняется при использовании вертикаль­
ных мылоотделителей. Они представляют собой цилиндрический
резервуар диаметром 1м, высотой 10 м. Мыло поднимается в
верхнюю часть сборника; периодически снизу сливают вначале
щелок, а затем мыло. '■-'■■

При любом способе извлечения мыла движение щелока в мылоотделителе должно быть спокойным, ламинарным. При тур­булентном движении всплывающее мыло снова растворяется в щелоке в зоне перемешивания.

5.3.2 Отделение мелкого волокна

Мелкое волокно при упаривании щелока способствует об­разованию отложений на внутренних поверхностях кипятильных труб, что резко снижает коэффициент теплопередачи; В отдель­ных случаях отложения могут полностью закупорить кипятиль­ные трубы. Кроме того, мелкое волокно забивает сетки сепарато­ров, затрудняя отделение щелока от сокового пара. Образование отложений значительно повышается в присутствии сульфатного мыла, ^ь е/.

Содержание мелкого волокна в щелоке зависит от вида пе­рерабатываемого сырья и от способа промывки целлюлозы. Для нормальной работы выпарной установки содержание мелкого во­локна в упариваемом щелоке не должно превышать 10... 15 мг/л.

Наиболее широкое распространение для удаления из щелока мелкого волокна получили барабанные фильтры (рисунок 5.5). Щелок из накопительных баков после промывной установки по­дается в ванну фильтра, в которой вращается сетчатый барабан. Волокна осаждаются на сетке барабана, а отфильтрованный ще­лок проходит внутрь барабана, откуда отводится через торцевой патрубок. В ванне со стороны выхода сгущенного волокна уста­новлен ножевой шабер, одна кромка которого соприкасается с поверхностью барабана. Слой массы перед шабером отдувается

от сетки при помощи паровой продувки, паровая труба установ­лена с внутренней стороны барабана. Сгущенная масса смывается с шабера водяным спрыском. Производительность таких фильт­ров составляет 2...3,9 м³ щелока в час с 1 м² поверхности сетки. Остаточная концентрация мелкого волокна в отфильтрованном щелоке не должна превышать б... 10 "мг/л. Барабан обтягивают фильтрующей сеткой № 30...40 из кислотоупорной стали (номер сетки характеризуется числом нитей основы на 1 см).

Рисунок 5.5 - Барабанный фильтр для отделения волокна из черного щело­ка: 1 - паровой спрыск; 2,-_: спрыск горячей воды.

На отечественных предприятиях получили распространение фильтры Урадхиммаша производительностью 150 лг^ щелока в час. Их характеристика: площадь фильтрующей поверхности ба­рабана 6,28 м², частота вращения барабана 1,64 мин"', угол по­гружения барабана в массу 210°, температура фильтруемого ще­лока 70...80 °С. Существенным недостатком работы этих фильт­ров является быстрое забивание сетки смесью сульфатного мыла и мелкого волокна и появление На сетке пены. Продувка сетки паром не обеспечивает эффективной очистки, поэтому фильтры часто останавливают для промывки и очистки сетки.

В отдельных случаях для улавливания мелкого волокна при­меняют вакуум-фильтры с волокнистым подслоем (типа Вако).

Уловленное волокно смешивают с упаренным щелоком, по­даваемым на сжигание в содорегенерационный агрегат, или (ре­же) возвращают в поток непромытой целлюлозы.

5.3.3 Окисление черного щелока

Черный щелок после сульфатной варки содержит значи­тельные количества неизрасходованного сульфида натрия. При выпарке в условиях вакуума в последних корпусах выпарной ба­тареи усиливается водный гидролиз остаточного сульфида с вы­делением сероводорода:

Na,S + Н₂0 = 2NaOH + H₂S.

Сероводород уходит с выхлопными газами вакуум-насосов и частично растворяется в конденсатах вторичного пара. В ре­зультате происходит значительное загрязнение сточных вод и атмосферного воздуха, растут потери серы (что в конечном счете снижает сульфидность варочного щелока) и усиливаются явле­ния коррозии выпарных аппаратов. Чтобы воспрепятствовать на­званным отрицательным последствиям, производят продувку воздухом черного щелока перед выпаркой. При этом сульфид на­трия окисляется в тиосульфат и другие продукты, которые хотя и могут подвергаться гидролизу, но без выделения сероводорода.

Основной процесс, происходящий при окислении черного щелока воздухом, изображают реакцией

2 Na₂S + 2 0₂ + Н₂0 - 2 NaOH + Na₂S₂0₃ + 900 кДж.

На самом деле реакция протекает сложнее. Сначала образу­ются полисульфиды через серию превращений по суммарному уравнению

16 Na₂S + 7 0₂ + 14 Н₂0 = Na₂S₈ + 28 NaOH.

Эта стадия протекает очень быстро. Дальнейшее окисление образовавшихся полисульфидов может происходить по двум на­правлениям. При избытке кислорода полисульфиды превращают­ся в тиосульфат (основное направление реакции):

2 Na₂S_s + 9 0₂ + 12 NaOH = 8 Na₂S₂0, + 6 H₂0.

При недостатке кислорода из полисульфидов образуется ■элементная сера (побочное направление реакции):

2 Na₂S₈ + 0₂ + Н₂0 = 16 S + 4 NaOH.

Выделившаяся элементная сера реагирует с гидроксидом натрия с образованием тиосульфата и сульфида:

4 S + 6 NaOH = 2 Na₂S + Na₂S₂0₃.

В результате в растворе появляется сульфид натрия (т. е. происходит частичная реверсия сульфида) и тиосульфат.

Одновременно окисляются и находящиеся в щелоке дурно-пахнущие вещества. В частности, меркаптид натрия превра­щается в менее летучий диметилдисульфид:

4 CH₃SNa + 2 0₂ + 2 Н₂0 = 2 CH₃SSCH₃ + 4 NaOH.

В результате окисления сульфида натрия в тиосульфат по­тери серы при выпаривании щелока сокращаются в 3...4 раза, а при полном окислении - до 90 %. В конденсате выпарной уста­новки резко снижается содержание дурнопахнущих веществ, сте­пень сульфидности зеленого щелока возрастает на 6...8 %, уменьшается загрязнение атмосферы и производственных стоков.

Процесс окисления замедляется при повышении концентра­ции щелока более 30 %. Оптимальной температурой является

60...70 °С, дальнейшее повышение температуры приводит к об­разованию элементной серы и снижению степени окисления.

Теоретический расход воздуха для полного окисления суль­фида натрия и содержащихся в щелоке метилсернистых соедине­ний составляет от 5 до 15 м на 1 м щелока. На практике, чтобы достигнуть удовлетворительной степени окисления сульфида на­трия (порядка 85...95 % от общего его количества), используют примерно 10-кратный от теоретического расход воздуха.

Промышленные окислительные установки для сульфатного черного щелока можно разделить на три типа: пенные, пленоч­ные (контактные) и турбулентные.

На рисунке 5.6 изображена схема пенной установки типа БТ-Метудер, используемая на ряде отечественных предприятий. Окисление щелока осуществляется в окислительной башне 1 диаметром 4 м и высотой 3 м,, внутри которой устроены семь го­ризонтальных полок из перфорированных пластин с отверстиями диаметром 4 мм. Черный щелок из баков подается в башню насо­сом и распределяется таким образом, что на верхнюю полку по­падает около 50 % всего количества щелока, на третью - 30 %, на пятую - 20 %. С полки на полку щелок перетекает по перелив­ным трубам. Вентилятор 10 через гидравлический затвор под давлением около 70 кПа нагнетает в башню воздух, который, проходя через отверстия в полках, превращает находящийся на них щелок в пену. Пена увлекается воздухом в камеру 2, откуда более тяжелая пена по широкой трубе стекает в пеносборник 4 диаметром 8 м и объемом 175 м~ с тремя механическими пено-разбивателями б. Более легкая пена вместе с воздухом попадает в циклоп 3 и стекает в тот же пеносборник. Окисленный щелок откачивается на выпарку. Отработанный воздух из циклона и пе-носборника отводится в дезодорирующие скрубберы. Установка окисляет около 40 м /ч черного щелока с концентрацией 20...22 %. Расход воздуха составляет около 70 м³/м³ щелока, степень окисления сульфида 80...85 %.

Рисунок 5.6 - Схема установки системы БТ-Метудер для окисления черно­го щелока: / - окислительная башня; 2 - пенная камера; 3 - циклоп; 4 -пеносборник; 5 - сливные трубы; в - пеноразбиватсль; 7 - указатель уров­ня; 8 насос для подачи щелока на выпарку; 9 -клапан; 10 - вентилятор; II- расходомеры

Пенные окислительные установки обеспечивают хороший контакт фаз и достаточно высокую степень окисления сульфида, но при окислении шелоков от варки смолистой хвойной древеси­ны работают с перебоями и периодически полностью забиваются пеной, что приводит к вынужденным остановам. Затруднений от пенообразования можно в значительной степени избежать, если подвергать окислению полуупаренный щелок с концентрацией 40...44%.

На рисунке 5.7 показана технологическая схема окисли­тельной установки контактного типа. Она состоит из башни, раз­деленной на две ступени окисления 1 и 2. Ступени работают по щелоку последовательно, а по воздуху параллельно. В первую ступень башни подается смесь свежего воздуха и несконденсиро-

вавшихся газов выпарной установки, во вторую ступень - только чистый воздух. Башня заполнена насадкой из гофрированных ас­боцементных плит, набранных в пакеты. Пакеты по отношению друг к другу развернуты на 90°, что способствует турбулизации пленки щелока, стекающей сверху башни.

Рисунок 5.7 - Схема окислительной установки пленочного типа: 1,2 - сту­пени окислительной башни; 3 - распределительные форсунки; 4 - пеноот-стойник; 5 - камера непоглощенного газа; 6 - пеногаситель; 7 - газопро-мывпая башня; 8 - дезодорационная колонна

Черный щелок, предварительно укрепленный до содержа­ния сухих веществ 20...24 %, закачивается в верхнюю часть пер­вой ступени башни. Для равномерного распределения по сечению башни установлены форсунки 3. Одновременно в верхнюю часть башни подается вентилятором высокого давления смесь воздуха и несконденсировавшихся газов. Движение щелока и воздуха

прямоточное, чем предотвращается сильное вспенивание. Окис­ление происходит в результате контакта кислорода воздуха и ще­лока, стекающего тонкой пленкой по поверхности плит. Пода­ваемые на первую ступень башни несконденсировавшиеся газы частично абсорбируются черным щелоком, поглощаясь остаточ­ным гидроксидом натрия; они могут предварительно промывать­ся в дезодорационной колонне 8.

Окисленный в первой ступени и частично вспененный ще­лок стекает в пеноотстойник 4, разделенный перегородкой на два отделения. Непоглощенные в первой ступени газы удаляются в сборную камеру 5. В первом отделении пеноотстойника обра­зовавшаяся на первой ступени окисления пена гасится механи­ческими пеногасителями 6. Щелок из первого отделения пенос-борника насосом подается в верх второй ступени окисления, где также равномерно распределяется по всему сечению башни.

Во второй ступени башни щелок контактирует с чистым воздухом и окончательно окисляется. Во втором отделении пе-носборника собирается окисленный щелок, а образовавшаяся пе­на гасится пеногасителями, после чего щелок откачивается на выпарную установку. Воздух и непоглотившиеся во второй сту­пени газы подаются на дополнительную очистку в газопромыв­ную башню 7.

В нижней части башни газы промываются кислой оборот­ной водой из отбельного отдела или специально приготовленной хлорной водой. Непрореагировавший хлор и другие кислые газы поднимаются во вторую секцию башни и орошаются щелочным раствором. Очищенный от дурнопахнущих газов воздух выбра­сывается в атмосферу.

Установки пенного типа имеют ряд технологических пре­имуществ по сравнению с установками пленочного типа. При плотности окисленного щелока 1,1 г/см, температуре 80...85 °С и при нормальной работе установки степень окисления сульфида натрия превышает 95 %, метилмеркаптана - 98 %, диметилсуль-фида и диметилдисульфида - 99 %. Для достижения высокой эф­фективности работы и сокращения пенообразования щелок не

должен содержать мыла более 0,3...0,4 %.

Из группы турбулентных окислительных установок за­служивает упоминания установка типа Лурги, в которой окне-* ление щелока происходит под давлением 0,8 МПа в змеевике с диафрагменными перегородками. Энергичная турбулизация обеспечивает необходимую поверхность контакта между щело­ком и воздухом. Продолжительность реакции составляет всего 1 мин, что достаточно для получения высокой степени окисления. Турбулентные установки значительно реже применяются на практике, нежели пенные и пленочные.

Основным эксплуатационным затруднением в работе всех типов окислительных установок остается ценообразование. Серьезные затруднения в работе окислительных установок, в особенности пенных, привели к тому, что многие сульфатцеллю-лозные заводы предпочитают обходиться без них. В некоторых случаях во избежание ценообразования окисляют сгущенный щелок. При этом теряются такие преимущества, как сокращение потерь серы при выпарке и уменьшение коррозии выпарных ап­паратов, но достигается некоторое сокращение потерь серы при сжигании щелоков. Наиболее рациональным считается двукрат­ное окисление щелоков - перед выпаркой и после выпарки. Та­кие схемы используются на некоторых американских предпри­ятиях.

Для окисления черного щелока, кроме атмосферного возду­ха, может быть использован чистый кислород. Установлено, что при окислении кислородом небольшая часть сульфида переходит в сульфат, а остальная - в тиосульфат. Поскольку объемный рас­ход кислорода примерно в 5 раз меньше, чем воздуха, щелок при окислении кислородом пенится значительно меньше. На практи­ке чистый кислород пока не используют по экономическим сооб­ражениям, хотя опыты в заводском масштабе указывают на целе­сообразность применения этого метода.

5.4 Техника выпарки щелоков 5.4.1 Выпарные аппараты

Для выпарки сульфатных и натронных щелоков применя­ются вертикальные выпарные аппараты пленочного типа с длин­ными трубами. По конструкции их можно разделить на одно-, двух- и трехходовые, по принципу действия - на аппараты с вос­ходящей и падающей пленкой.

В составе современных мощных выпарных станций приме­няются выпарные аппараты пленочного типа, имеющие поверх­ность нагрева свыше 1500 м и длину труб до 9 м. В качестве примера на рисунке 5.8 показан выпарной аппарат системы Ро-зенблада с поверхностью нагрева 1700 м". Аппарат имеет 1350 труб из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 8,5 м. Кипятильник и сепаратор представляют собой единую конструк­цию. Общая высота аппарата 14 м.

Для увеличения коэффициента теплопередачи пленочные выпарные аппараты часто выполняются двухходовыми. Нижняя щелоковая камера делится вертикальной перегородкой на две части. Нижняя часть сепаратора под отбойным зонтом также имеет перегородку. Предварительно подогретый щелок входит в первую половину щелоковой камеры, выбрасывается вверх по половине пучка трубок, возвращается из сепаратора во вторую половину щелоковой камеры и проходит вторую половину пучка. Скорость движения щелока по трубкам в двухходовом выпарном аппарате примерно в 2 раза больше, чем в одноходовом, что и обеспечивает увеличение коэффициента теплопередачи.

Выпарные аппараты с падающей пленкой появились срав­нительно недавно. На рисунке 5.9 показана схема устройства та­кого аппарата, представляющего собой как бы поставленный «с ног на голову» нормальный пленочный аппарат: кипятильник 2 располагается вверху, сепаратор 4 - внизу.

Рисунок 5.8 - Выпарной аппарат системы Розенблада; 1 - кипятильный корпус; 2 - отражатель; 3 - ввод греющего пара; 4 - верхняя трубная ре­шетка; 5 - отвод сокового пара; 6 - сепаратор; 7 - дефлектор; 8 &. отвод для упаренного щелока; 9 - регулятор уровня; 10 - кипятильные трубы; 11 -спиральный теплообменник; 12 - конденсатоотводчик; 13 - нижняя щело-ковая камера; 14 - нижняя трубная решетка

Щелок поступает в верхнюю щелоковую камеру / и стекает по стенкам кипятильных труб в виде пленки, подгоняемой об­разующимся паром. В сепараторе вторичный пар отделяется с помощью решетки 7 и отводится через патрубок 3. Сгущенный щелок собирается в нижней каморе 5 и выводится через штуцер б. Греющий пар входит в кипятильник через штуцер 9, конденсат удаляется через патрубок 8. Такие аппараты обеспечивают более высокий коэффициент теплопередачи, чем нормальные аппараты с восходящей пленкой.

Пленочные длиннотрубные аппараты, работающие в составе 5...7-корпусных батарей, развивают паропроизводительность от 12 до 22 кг/(м²-ч).

Рисунок 5.9 - Выпарной аппарат с падающей пленкой системы Лурги: / - верхняя щелоковая камера; 2 - кипятильник; 3 - патрубок отвода вто­ричного пара; 4 - сепаратор; 5 - нижняя камера; 6 -.штуцер выхода сгущенного щелока; 7 - решетка; 8 - патрубок удаления конденсата; 9 - штуцер входа греющего пара

При выпарке щелока до высоких кон­центраций (60...65 % сухого вещества) на современных предприятиях используют пленочные аппараты с принудительной цир­куляцией. Их либо включают в состав бата­реи в качестве последних по ходу щелока корпусов, либо устанавливают в дополнение к батарее в качестве концентраторов, обог­реваемых свежим паром.

На рисунке 5.10 представлена конст­рукция двухходового концентратора типа Розенлев-Свенсона с наружными циркуля­ционными трубами. Циркуляция осуществ­ляется центробежным насосом, который за­бирает щелок из нижней части сепаратора и подает его в правую половину нижней ще-локовой камеры кипятильника. По

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: