авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Технология отбелки целлюлозы пероксидом водорода и хлоритом натрия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Синяев Константин Андреевич

Технология отбелки целлюлозы пероксидом водорода и хлоритом натрия

Специальность 05.21.03 Технология и оборудование

химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Хакимова Фирдавес Харисовна
Официальные оппоненты: Вураско Алеся Валерьевна, доктор технических наук, заведующая кафедрой «Химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных производств», ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» Министерства образования и науки РФ.
Пен Роберт Зусьевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Целлюлозно-бумажного производства и химических волокон», ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» Министерства образования и науки РФ.
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита состоится «29» мая 2012 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, д. 37.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан «28» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Н.В. Куцубина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Отбелка целлюлозы – одна из важнейших стадий в производстве беленой целлюлозы для изготовления белых видов бумаги и картона.

Непрерывный рост требований к качеству беленой целлюлозы со стороны потребителей, а также планомерное ужесточение законодательства в области охраны окружающей среды вызывает необходимость в постоянном совершенствовании существующей технологии отбелки целлюлозы. На сегодняшний день основным направлением в развитии технологии является переход на отбелку целлюлозы без применения молекулярного хлора (ECF-технология) либо без применения хлорсодержащих реагентов вообще (TCF-технология). Связано это с необходимостью предотвращения появления в стоках отбелки и в беленой целлюлозе высокотоксичных хлорорганических веществ. На данном этапе развития ECF-технология отбелки считается более целесообразной.

Отбелка по ECF-технологии чаще всего предполагает использование на стадии делигнификации кислородно-щелочной обработки (КЩО), а на стадии добелки – обработку диоксидом хлора. Следует отметить, что проведение КЩО связано с применением конструктивно сложного и дорогостоящего оборудования, т.к. процесс идет при высокой концентрации массы (требуется сгущение) и повышенном давлении. Использование диоксида хлора вызывает необходимость в наличии специального цеха по его получению из взрывоопасного хлората натрия.

Поэтому, разрабатывая новые технологии отбелки, следует обращать особое внимание на упрощение используемого оборудования и рациональный выбор отбельных реагентов, что и предпринято в данной работе.

Диссертационная работа выполнялась в рамках «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ», утвержденных Указом Президента РФ в 2006 и 2011 годах, раздел «Рациональное природопользование».

Целью данной диссертационной работы является разработка научно обоснованной перспективной экологически безопасной ECF-технологии отбелки целлюлозы с использованием пероксидной делигнификации целлюлозы в кислой среде и отбелки хлоритом натрия.

В соответствии с целью диссертационной работы решались следующие задачи:

- исследование возможности и целесообразности изменения существующей технологии отбелки сульфатной целлюлозы с исключением сложного аппаратурного узла (КЩО) и отдельного производства диоксида хлора из хлората;

- исследование возможности и целесообразности делигнификации целлюлозы пероксидом водорода в кислой среде с последующим щелочением (вместо КЩО) и отбелки её хлоритом натрия (взамен диоксида хлора);

- разработка схем отбелки сульфатной (хвойной и лиственной) и бисульфитной целлюлозы с построением математических моделей и оптимизацией условий обработки на отдельных ступенях отбелки;

- выявление основных закономерностей делигнификации целлюлозы пероксидом водорода в кислой среде с последующей щелочной обработкой и отбелки хлоритом натрия в две ступени с промежуточным окислительным щелочением;

- установление степени окислительной и гидролитической деструкции целлюлозы на различных стадиях процесса делигнификации и отбелки;

- установление закономерностей изменения физико-химических, структурных и морфологических свойств волокон целлюлозы в процессе отбелки и влияния этих характеристик на показатели качества полученной беленой целлюлозы;

- установление эффективности обессмоливания сульфатной лиственной и бисульфитной целлюлозы при отбелке по разработанным схемам;

- оценка технико-экономических и экологических показателей отбелки сульфатной целлюлозы по разработанной схеме.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в ходе исследований применялся системный подход, охватывающий физическое и математическое моделирование, стандартные и оригинальные методики анализа, используемые в исследовательской практике по целлюлозно-бумажному производству, с применением современных измерительных средств и вычислительной техники.

Основные научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:

- обоснование проведения делигнификации сульфатной целлюлозы путем обработки ее пероксидом водорода в кислой среде с последующей щелочной обработкой (вместо КЩО) и отбелки сульфатной и бисульфитной целлюлозы хлоритом натрия (взамен диоксида хлора);

- результаты математического моделирования и разработанные с помощью оптимизации условия обработки сульфатной и бисульфитной целлюлозы на различных ступенях отбелки;

- закономерности изменения физико-химических, структурных и морфологических свойств целлюлозы в процессе отбелки;

- технология и схемы бесхлорной отбелки сульфатной и бисульфитной целлюлозы, разработанные на основе проведенных исследований;

- экологические показатели отбелки сульфатной целлюлозы по предлагаемой ECF-схеме;

- результаты ориентировочных экономических расчетов и оценка экономической целесообразности отбелки сульфатной целлюлозы по разработанной технологии.

- результаты испытаний полученных образцов целлюлозы в исследовательской лаборатории ООО «Пермский картон».

Научная новизна работы заключается в разработке экологичной схемы отбелки сульфатной хвойной и лиственной целлюлозы без использования элементарного хлора с применением в качестве отбеливающих реагентов только пероксида водорода и хлорита натрия с разработкой математических моделей и оптимизацией условий отдельных ступеней отбелки.

Выявлены основные закономерности делигнификации целлюлозы пероксидом водорода в кислой среде с последующей щелочной обработкой и отбелки хлоритом натрия (вместо традиционного диоксида хлора) в две ступени с промежуточным окислительным щелочением.

Установлены закономерности изменения физико-химических, структурных и морфологических свойств волокон целлюлозы в процессе отбелки и влияние этих характеристик на показатели качества полученной беленой целлюлозы.

Установлена степень окислительной и гидролитической деструкции целлюлозы на различных стадиях процесса и, соответственно, изменения показателей, отражающих эти процессы и влияющих на физико-механические характеристики беленой целлюлозы.

Практическая значимость работы. Разработана упрощенная технология отбелки сульфатной целлюлозы путем использования для делигнификации целлюлозы пероксида водорода в кислой среде с последующей щелочной обработкой (вместо традиционного КЩО) и для отбелки – хлорита натрия вместо диоксида хлора, что позволит либо избежать необходимости в строительстве специального цеха для производства диоксида хлора, либо исключить этот взрывоопасный участок из состава предприятия, где диоксид уже используется.

Предлагаемая схема является экологически надежной, экономически целесообразной и может быть с успехом внедрена на любом действующем предприятии целлюлозно-бумажной промышленности без значительных капиталовложений. Особенно это касается тех предприятий, которые планируют расширить ассортимент выпускаемой продукции путем выработки целлюлозы высокой и стойкой белизны, соответствующей современным требованиям.

Установление динамики изменения в процессе отбелки физико-химических, структурно-морфологических и бумагообразующих свойств позволит регулировать процесс производства беленого полуфабриката для получения качественной продукции определенного целевого назначения.

Достоверность и обоснованность результатов исследований базируется на использовании стандартных методик анализа, современных методов исследований, приборов и оборудования; хорошей сходимости теоретических результатов, полученных с использованием разработанных математических моделей, с экспериментальными.

Результаты исследований обработаны методами математической статистики с использованием программного пакета Statgraphics.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации (анализ литературы, разработка математических моделей, обработка и анализ экспериментальных данных) осуществлены автором лично или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждены и получили положительную оценку на XII, XIII и XIV Региональных НПК «Химия, экология, биотехнология» в 2010, 2011 и 2012 гг.; на IV Всероссийской НТК по программе «У.М.Н.И.К. Научное творчество молодежи лесному комплексу» в 2010 г. (г. Екатеринбург); на II Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» в 2010 г. (ИТХ УрО РАН, г. Пермь); на VII и IX Всероссийских НПК «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика» в 2010 и 2011 гг. (выступления отмечены дипломами); на III студенческом региональном конкурсе инновационных проектов по программе «У.М.Н.И.К.» в 2011 г – получен грант.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ, и один патент на изобретение (№ 2445415).

Объем и структура работы. Диссертация включает следующие разделы: введение, аналитический обзор, методическую и экспериментальную части, выводы, список использованных литературных источников из …. наименований. Общий объем диссертации - 145 страниц, 27 рисунков, 26 таблиц и 3 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследования и приведены положения, выносимые на защиту.

В первом разделе (аналитический обзор) осуществлен критический анализ имеющейся информации; рассмотрены современные представления о процессах, идущих при отбелке целлюлозы; существующие тенденции в развитии технологии отбелки; имеющиеся проблемы и возможные пути их решения. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе (методическая часть) представлена методология исследования процессов отбелки целлюлозы, а также указаны методы анализа, использованные для оценки особенностей и закономерностей процессов и полученных результатов.

В третьем разделе (экспериментальная часть) приведены результаты исследований по разработке ECF-технологии отбелки сульфатной и бисульфитной целлюлозы. В работе использовалась целлюлоза:

- небеленая сульфатная хвойная производства ОАО «МЦБК» с показателями: степень провара 118 п.е., число Каппа 33,6, разрывная длина 11690 м;

- небеленая сульфатная лиственная целлюлоза производства ОАО «Монди СЛПК» с показателями: степень провара 94 п.е., число Каппа 20, разрывная длина 9520 м;

- небеленая бисульфитная целлюлоза производства ОАО «Соликамскбумпром» с показателями: степень провара 125 п.е. (число Каппа 42,2), содержание «вредной» смолы 27 мг/100г целлюлозы, белизна 60 % и разрывная длина 10450 м.

Предварительные исследования по разработке схемы отбелки целлюлозы. Определена возможность катализируемой делигнификации целлюлозы пероксидом водорода в кислой среде (Пк) с последующей щелочной обработкой (Щ). Осуществлен обоснованный выбор катализатора и кислоты, а также их расходы.

Показана возможность двухступенчатой отбелки делигнифицированной сульфатной целлюлозы хлоритом натрия с промежуточным окислительным щелочением (Хт1-ЩП-Хт2). Для создания на ступенях Хт1 и Хт2 кислой среды, при которой из хлорита выделяется диоксид хлора, использовали соляную кислоту с добавлением ее до рН 4-5.

В результате, получена схема отбелки сульфатной целлюлозы по ECF-технологии: Пк-Щ-Хт1-ЩП-Хт2-К, где К – кислотная обработка. В данной схеме реализован принцип чередования кислых и щелочных ступеней, повышающий ее эффективность.

Данная схема отбелки использована в дальнейших исследованиях.

Исследования по разработке ECF-схемы отбелки сульфатной хвойной целлюлозы. Для повышения эффективности отбелки сульфатной хвойной целлюлозы по предложенной схеме произведена оптимизация условий обработки целлюлозы на ступени Пк и на ступенях Хт1 и Хт2 с целью определения оптимального расхода пероксида водорода на стадии делигнификации и хлорита натрия на ступенях добелки. Условия обработки целлюлозы на ступенях Щ и ЩП были постоянными.

Поставлены три трехфакторных эксперимента (по плану Бокса). Переменные факторы: расход основного отбельного реагента (Х1), температура процесса (Х2) и продолжительность обработки (Х3). Выходные параметры:

- на ступени Пк: степень провара (у1), выход (у2) и белизна целлюлозы (у3) (данные показатели определяли после ступени Щ, т.е. после обработки по схеме Пк-Щ);

- на ступени Хт1: степень провара (у1), выход (у2) и белизна целлюлозы (у3);

- на ступени Хт2: выход (у1), белизна (у2) и разрывная длина целлюлозы (у3).

Проведена обработка результатов реализации экспериментов, выполнен их статистический анализ. Построены математические модели, отражающие зависимость изменений выходных параметров от варьируемых факторов. На основе полученных моделей вычислены оптимальные режимы обработки целлюлозы на ступенях Пк, Хт1 и Хт2. В работе использовался программный пакет статистического анализа Statgraphics v5.0.

На рисунке 1 представлены карты Парето для выходных параметров эксперимента на ступени Пк, которые позволили определить значимость коэффициентов уравнений регрессии (математических моделей).

Рисунок 1 – Стандартизованные карты Парето для показателей (ступень Пк):

а – степень провара; б – выход; в – белизна.

Все эффекты, пересекающие границу статистической значимости, принимаются как значимые.

Построены также графики диагностики отклонения ошибок прогноза значений выходных параметров от нормального распределения (в диссертации).

Уравнения регрессии, описывающие ход процесса пероксидно-щелочной делигнификации:

степень провара y1=76,0-14,71х1-2,19х2 - 2,41х3+7,11х12 -1,3875х1х2-

- 1,3625х1х3+1,3625х2х3;

выход y2=95,1462-1,27х1-0,44х2-0,88х3+0,657692х12-0,3125х1х2-

-0,6375х1х3-0,492308х32;

белизна y3=39,7+2,7х1-0,68х2+0,34х3-0,3125х2х3-0,52х32.

Здесь и далее в уравнениях регрессии используются кодированные значения переменных.

Рассчитаны соответствующие коэффициенты детерминации: R12 = 99,06 %, R22 = 98,50 %, R32 = 97,77 %. Близость рассчитанных коэффициентов детерминации к 100 % говорит о хороших прогностических свойствах полученных моделей процесса.

Аналогично получены математические модели процессов на ступенях Хт1 и Хт2. Карты Парето и графики диагностики отклонения ошибок прогноза значений выходных параметров от нормального распределения имеются в диссертации.

Математические модели позволили оптимизировать условия обработки целлюлозы на ступенях Пк, Хт1 и Хт2 (таблица 1).

По схеме Пк-Щ-Хт1-ЩП-Хт2-К проведена отбелка целлюлозы при оптимальных условиях с отбором образцов после каждой ступени. Выполнены анализы, которые позволили проследить характер изменений, происходящих с целлюлозой в процессе отбелки.

Изменения основных характеристик сульфатной хвойной целлюлозы в процессе отбелки показаны в таблице 2.

Для сравнения по разработанной схеме при оптимальных условиях проведена отбелка хвойной целлюлозы, предназначенной для отбелки, производства ЗАО «Интернешнл Пейпер» (степень провара 108 п.е.).

Условия обработки и расходы реагентов, % от а.с.в. Ступени обработки
Пк Хт1 Хт2
H2O2 4,68 - -
NaClO2 -ед. акт. Cl -ед. ClO2 - - 4,81 1,83 2,30 0,87
Температура, oC 89,93 81,98 86,60
Продолжительность, мин 133,5 115,0 63,0


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.