Đồ án sản suất giấy và bột giấy

Lượng bột giấy thiếu hụt chủ yếu được xử lý bằng tái chế giấy cũ và phần lớn nhập khẩu từ Bắc Mỹ, Trung Quốc…Nhu cầu xây dựng nhà máy bột giấy, đáp ứng nhu cầu và tận dụng nguồn nguyên liệu trong nước là cần thiết. Vì vậy, em chọn đề tài thiết kế hệ thống nồi nấu bột giấy liên tục theo phương pháp nấu sunfat công suất 150 nghìn tấnnăm. Đồ án thiết kế gồm các phần chính: ⮚ Cơ sở lý thuyết ⮚ Lựa chọn công nghệ ⮚ Tính cân bằng vật chất và năng lượng ⮚ Tính toán và lựa chọn thiết bị ⮚ Bản vẽ sơ đồ công nghệ và thiết bị chính

1.4 Lý thuyết nấu bột theo phương pháp nấu sunfat : 7

2.1.Sơ đồ công nghệ nấu sunfat liên tục trong thiết bị nấu Kamyr 20

3.2.3 Thẩm thấu mảnh ở khoang thẩm thấu trên của nồi nấu 27

3.3.1Tiêu hao nhiệt cho xông hơi mảnh : 33

4.2 Các thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất 36

MỞ ĐẦU

Ngành giấy là một trong những ngành được hình thành từ rất sớm tại ViệtNam, khoảng năm 284.Từ giai đoạn này đến đầu thế kỷ 20, giấy được làm bằngphương pháp thủ công để phục vụ choviệc ghi chép, làm tranh dân gian, vàngmã…Năm 1912, nhà máy sản xuất bột giấy đầu tiên bằng phương pháp côngnghiệp đi vào hoạt độngvới công suất 4.000 tấn giấy/năm tại Việt Trì Trong thậpniên 1960, nhiều nhà máy giấy được đầu tư xây dựng nhưng hầu hết đều có côngsuất nhỏ (dưới 20.000 tấn/năm) như Nhà máy giấy ViệtTrì; Nhà máy bột giấy VạnĐiểm; Nhà máy giấy Đồng Nai; Nhà máy giấy Tân Mai v.v Năm 1975,tổng côngsuất thiết kế của ngành giấy Việt Nam là 72.000 tấn/năm nhưng do ảnh hưởng củachiến tranh và mất cân đối giữa sản lượng bột giấy và giấy nên sản lượng thực tếchỉ đạt 28.000tấn/năm

Năm 1975, tổng sản lượng bột giấy của cả nước chỉ được 28 nghìn tấn/năm,nay đã vượt 2 triệu tấn/năm, đáp ứng được 64% nhu cầu tiêu dùng trong nước.  Tuy nhiên, với khối lượng này còn xa mới đáp ứng được nhu cầu cho ngành sảnxuất giấy, bởi vậy hàng năm nước ta vẫn còn phải nhập khẩu lượng bột giấy và cácsản phẩm giấy với lượng gần tương đương sản lượng trong nước.  Lượng bột giấythiếu hụt chủ yếu được xử lý bằng tái chế giấy cũ và phần lớn nhập khẩu từ Bắc

Mỹ, Trung Quốc…Nhu cầu xây dựng nhà máy bột giấy, đáp ứng nhu cầu và tậndụng nguồn nguyên liệu trong nước là cần thiết

Vì vậy, em chọn đề tài thiết kế hệ thống nồi nấu bột giấy liên tục theo phươngpháp nấu sunfat công suất 150 nghìn tấn/năm

Đồ án thiết kế gồm các phần chính:

⮚ Cơ sở lý thuyết

⮚ Lựa chọn công nghệ

⮚ Tính cân bằng vật chất và năng lượng

⮚ Tính toán và lựa chọn thiết bị

⮚ Bản vẽ sơ đồ công nghệ và thiết bị chính

b.Nhu cầu và giá cả :

Hiện nay,sản xuất về bột giấy trong nước vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu, dùkhông ngừng tăng nhanh các dự án cả về năng suất và số lượng Dù vậy, nguồn gỗtrồng của Việt Nam hiện nay được băm nhỏ làm gỗ dăm bán sang Trung Quốc vớigiá rẻ Giá xuất khẩu dăm gỗ Việt Nam sang Trung Quốc và Nhật trung bình 110-

120 USD/tấn Còn giá nhập khẩu bột giấy vào khoảng 900-1.000 USD/tấn Theo

số liệu của Hiệp hội Gỗ và Lâm sản Việt Nam (Vifores), năm 2014 Việt Nam đãxuất khẩu gần 7 triệu tấn dăm gỗ khô, tương đương với khoảng 3,6 triệu tấn bộtgiấy.Đây là một tin không hề vui đối với ngành công nghiệp giấy và bột giấy

1.2 Các khái niệm chính :

Thành phần chính của bột giấy là xenluloza, một polymer tự nhiên có nguồngốc từ thực vật, vì vậy nguyên liệu sản xuất bột giấy là các loại thực vật thân gỗ vàmột số dạng nông – lâm sản ngoài gỗ (nguyên liệu phi gỗ), trong đó gỗ là nguyênliệu chủ yếu Trong đồ án này, em sử dụng nguyên liệu gỗ cứng – bạch đàn, cung

là nguyên liệu chủ yếu trong sản xuất bột giấy tai Việt Nam

Nấu : là quá trình xử lý nguyên liệu phù hợp bằng tác nhân nấu ( hóa chất,nhiệt độ, áp suất ) trong các thiết bị nấu chuyên dụng

Mục đích : Tách các thành phần khác của nguyên liệu thực vật ra khỏi xơ sợi( tách loại lignin, các chất trích ly …)

Dịch nấu là dung dịch các hóa chất để nấu bột :

● Dịch trắng là dich mới được pha chế, các thành phần của nó chưađược sử dụng cho chu trình nấu

● Dịch xanh là dung dịch các hóa chất thu được từ quá trình thu hồi hóachất sau nấu, có thành phần tương tự dịch trắng Dịch xanh được tái sử dụng đểnấu bột

● Dịch đen là phần chất lỏng thu được sau khi nấu bột Thành phần chủyếu bao gồm các hóa chất còn dư của dịch nấu ban đầu, các sản phẩm hòa tan vàphân hủy nguyên liệu cùng một lượng nhỏ các xơ sợi nhỏ chưa được loại bỏ

● Tỷ dịch hay modul nấu là tỷ lệ giữa dịch nấu (m3) và khối lượng khôtuyệt đối của nguyên liệu mang nấu (tấn)

Các phương pháp nấu hiện nay : bột sunfat được nấu theo phương pháp sunfat,tác nhân nấu chính là: NaOH và Na2S Với các phương pháp chính là:

● Phương pháp nấu gián đoạn: là quá trình nấu theo từng mẻ

● Phương pháp nấu liên tục: nguyên liệu được cấp vào và bột được tháo

Bột sunfat chủ yếu sản suất theo phương pháp nấu liên tục

Thiết bị nấu liên tục đầu tiên được sản xuất năm 1983 tại Thụy Điển

Thiết bị nấu liên tục chỉ được đưa vào sử dụng rộng rãi những năm 1970

Hiện nay, phương pháp nấu liên tục sản xuất ra 2/3 sản lượng bột giấy trên thếgiới

1.3.2 Ưu điểm của phương pháp nấu liên tục:

⮚ Năng suất của một đơn vị thể tích (m3) nồi nấu tăng

⮚ Tăng diện tích sử dụng của phân xưởng nhờ năng suất tăng

⮚ Giảm quy mô của các thiết bị công nghệ (bể chứa,dịch nấu …) nhờ quá trìnhvận hành đều đặn, liên tục.

⮚ Giảm kích thước và số lượng của các thiết bị thu hồi nhiệt do quá trình xảkhí và phóng đỉnh không còn

⮚ Định mức tiêu hao năng lương cố định tạo thuận lợi cho bộ phận cung cấpnăng lượng

⮚ Hệ thống tuần hoàn liên tục, khép kín: giảm tiêu hao hơi, giảm ô nhiễm môitrường

1.3.3 Thiết bị nấu liên tục:

Nấu liên tục được thực hiện trong các thiết bị nấu liên tục, là các hệ thống thiết

bị đồ sộ và phức tạp Phổ biến nhất hiện nay là thiết bị Kamyr của hãng KvaenerPulping Số lượng nồi nấu liên tục Kamyr hiện nay trên thế giới đã đạt đến con số

500 bộ, năng suất của một thiết bị có thể đạt hàng trăm tấn/ngày.Tại Nhật Bản, hơn70% sản lượng bột hóa được sản xuất bằng thiết bị nấu Kamyr Các nước kháctrong khu vực Đông Nam Á cũng áp dụng công nghệ này từ lâu là Thái Lan,Indonesia

Nồi nấu có nắng suất cao nhất hiện nay thuộc bản quyền của hãng Metso, đạt

4500 tấn/ngày, có đường kính đáy nồi 12,5 m, chiều cao 72 m Nồi nấu hiện naycủa công ty cổ phần giấy An Hòa hiện nay có năng suất 450 tấn/ngày, áp dụngcông nghệ Compact CookingTM thế hệ 2, có đường kính gần 4 m, chiều cao trên30m

Kể từ khi được lắp đặt và vận hành lần đầu tiên vào năm 1938 tại nhà máygiấy Carlsberg, Thụy Điển, công nghệ và thiết bị nấu liên tục Kamyr đã liên tụcđược cải tiến và hoàn thiện Sự phát triển và thành công của công nghệ nấu sunfatliên tục trong thiệt bị Kamyr, từ công nghệ truyền thống Hi-Heat, trải qua các thế

hệ thiết bị nấu với công nghệ cái tiến MCC (Modified Continous Cooking), nấuđẳng nhiệt(ITCTM và BLITM), LO-COLIDS và ngày nay là công nghệ CompactCookingTM G1, công nghệ tiên tiến Compact CookingTM G2, là minh chứng chonhững ưu điểm vượt trội của nâu liên tục so với nấu gián đoạn, kể cả nấu gián đoạncải tiến

1.4 Lý thuyết nấu bột theo phương pháp nấu sunfat :

1.4.1 Các giai đoạn chính của quá trình nấu

⮚ Kiểm tra nồi nấu: Bao gồm kiểm tra xem bột đã xả hết hay chưa, vệ sinh van

xả (khi cần thiết), kiểm tra hệ thống bơm tuần hoàn dịch, hệ thống tiếp liệu,…

⮚ Nạp nguyên liệu và dịch nấu :

Mảnh từ kho chứa được đưa vào thiết bị xông hơi nước, trong thiết bị này cóvít tải đẩy mảnh Hơi nước dùng ở đây chủ yếu từ bột phóng ra khi đã nấu xong.Khi xông hơi nên bổ xung thêm một lượng hơi mới với áp lực hơi 1kg/cm2 Mảnhtrong thiết bị xông hơi được hơi nước với nhiệt độ 100C đến 110C thẩm thấu, sau

đó vào thiết bị nạp mảnh áp suất cao Dịch đưa vào thiết bị nạp mảnh áp suất caochủ yếu là dịch kiềm tuần hoàn dẫn từ đỉnh nồi và có một phần dịch đen được bổxung

Dịch mảnh từ thiết bị nạp mảnh áp suất cao được đưa lên đỉnh nồi Ở đâylượng dịch thừa lại do một thiết bị đặc biệt dẫn trở lại máy nạp mảnh Mảnh đã quaxông hơi bị dịch kiềm thẩm thấu rất nhanh và vì thế quá trình nấu bột tiến hành hếtsức mãnh liệt

Thời gian nạp mảnh và dịch thường từ 35-45 phút

⮚ Quá trình nấu

Thời gian nấu rút ngắn còn khoảng từ 1 – 2 giờ Nhiệt độ nấu do thiết bị gianhiệt tuần hoàn đem lại khoảng 165 – 170 oC Dịch nấu được rút ra ở nửa phầndưới của nồi, qua bơm của máy gia nhiệt đưa lên nửa phần trên của nồi Khi gianhiệt dịch kiềm người ta dùng hơi nước có áp lực 12kg/cm2

Nhiệm vụ chính của nấu là cung cấp bột có chất lượng đồng đều chỉ số kappa

ổn định ở mức tiêu thụ càng ít hóa chất càng tốt, ở đây chỉ số kappa khoảng 17-20

Để có thể đạt được chỉ số kappa mong muốn thì có 3 phương pháp : thay đổi thờigian nấu, thay đổi nhiệt độ nấu tối đa, thay đổi mức dung kiềm Tàn kiềm duy trì ở8-12 g/l để đảm bảo độ nhớt nhất định để tránh sự đóng căn ở công đoạn chưngbốc dịch đen

⮚ Rửa bột và khuếch tán :

Bột đã được nấu chín thông qua van phóng ở đáy nồi lên bình phóng bột Hơinước từ bình phóng bột bốc lên được dẫn vào thiết bị xông hơi, còn bột thì dùngdịch đem làm loãng rồi đưa về công đoạn rửa.

1.4.2.Dịch nấu

Thành phần hoạt tính của dịch nấu gồm có NaOH và Na2S.Tổng lượng kiềmhoạt tính (thường qui đổi về đơn vị Na2O) là % Na2O tiêu tốn so với lượng gỗ khôtuyệt đối, và được gọi là tiêu tốn kiềm hoạt tính cho nấu Ngoài kiềm hoạt tính,trong dung dịch nấu còn có một lượng Na2CO3 , lượng này tồn tại là do phản ứng

sô đa hoá xảy ra không hoàn toàn

Na2SO4+2C → Na2S+2CO2

Theo đó còn có thể lẫn phần nào các hợp chất khác như Na2CO3, Na2S2O3

Tổng tất cả các dạng muối natri (trừ NaCl) có trong kiềm trắng được gọi làtoàn kiềm và được qui đổi về đơn vị chuẩn Na2O hay NaOH Các thuật ngữ tiêuchuẩn được sử dụng trong phương pháp sunfat như bảng kê dưới đây (tính theođơn vị Na2O hay NaOH)

- Tổng kiềm có thể chuẩn độ (TTA) NaOH + Na2S + Na2CO3 (g/l)

Độ hoạt tính (%) =

Độ xút hoá (%) =

Độ sunfua (%) =

Độ khử (%) =

Thuật ngữ Định nghĩa Đơn vị đo

Tổng kiềm

(Total Al Kali - TA)

Tổng lượng hợp chất kiềm có trong

dịch(NaOH + Na2S + Na2CO3 + Na2SO4 +

Na2SO3)không bao gồm NaCl

g/l(tính bằng Na2O)

Tổng kiềm chuẩn

TTA Tổng lượng (NaOH + Na2S + Na2CO3)

g/l(tính bằng Na2O)

Kiềm hoạt tính AA

Tổng lượng (NaOH + Na2S)

g/l(tính bằng Na2O)

Kiềm hữu hiệu EA Tổng lượng (NaOH + Na2S) g/l

Độ sunfat hoá Tỷ lệ Na2S/AA hay Na2S/TTA %

(tính bằng Na2O)

Tan kiềm trong dịch

đen Nồng độ kiềm chuẩn bằng axit

g/l(tính bằng Na2O)

Bảng 1: Định nghĩa các thuật ngữ trong nấu sunfat

Nồng độ kiềm hoạt tính trong kiềm trắng biến động từ 70 đến 120 g/l (đơn vị

Na2O) Sau khi rót kiềm vào nồi nấu do có sự pha loãng của dịch đen cho vào nấu

và cả nước có trong dăm gỗ nên nồng độ kiềm hoạt tính giảm xuống đến 30 g/l(tính Na2O) hoặc đến 40 g/l NaOH Ở nồng độ này kiềm nấu sẽ có chỉ số pH banđầu khá cao và khoảng 12 - 13 Khi kết thúc quá trình nấu kiềm hoạt tính còn lại 3

- 5 g/l (Na2O) tức là giảm xuống khoảng 10 lần so với nồng độ ban đầu Trong điềukiện này chỉ số pH của dung dịch nấu thay đổi rất ít và cố định trong môi trườngkiềm mạnh (pH 11 - 12 ) Đến cuối quá trình nấu trong dung dịch nấu còn có thêmmuối natri của những axit vô cơ yếu với hàm lượng đủ lớn và càng gần về cuối củaquá trình nấu hàm lượng muối natri của các axit hữu cơ cũng được sinh ra càngnhiều Những dữ kiện trên sẽ có khả năng hình thành một dung dịch đệm Như vậychỉ số pH của dung dịch nấu đủ lớn cả ngay trong trường hợp toàn bộ kiềm hoạttính bị tiêu hao hoàn toàn

Các thành phần trong kiềm nấu đều là muối natri của axit yếu như Na2CO3,

Na2S, Na2SO3 chúng có thể tham gia phản ứng thuỷ phân:

Na2S+H2O⇔ NaOH +NaSH

Na2C O3+H2O⇔ NaOH +NaHSO3

N a2SO3+H2O⇔ NaOH +NaHSO3

Độ thuỷ phân của những axit này phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dungdịch, thậm chí còn phụ thuộc vào sự có mặt của hydroxit natri tự do trong kiềm.Trong điều kiện thay đổi như nhau thì muối của những axit yếu hơn hydro sunfat

và cacbonic sẽ thuỷ phân mạnh hơn Độ mạnh của các axit lần lượt là H2SO3>

H2CO3 > H2S

Na2S là thành phần kiềm nấu Trong quá trình nấu chỉ có 1/2 lượng Na2S trongkiềm trắng tham gia phản ứng thuỷ phân sinh ra NaOH và Na2S còn lại là Na2S tự

do Do đó có khái niệm kiềm hữu hiệu

Kiềm hữu hiệu: NaOH + 1/2 Na2S (trong kiềm trắng)

1.5 Những hiện tượng xảy ra trong quá trình nấu :

Quá trình nấu gỗ chính là quá trình tách lignin, mục đích là dùng các tác nhânphản ứng tác dụng với lignin, làm cho đại phân tử lignin bị tách ra từng phần cóphân tử lượng nhỏ hơn hoà tan được vào dịch nấu Còn lại xenluloza không hoàtan được sẽ được thu hồi ở dạng tự nhiên

Trong thành phần dịch nấu xenluloza sunfat ngoài NaOH còn có Na2S và khithuỷ phân sẽ sinh ra ion sunfua ( S2-) và ion HS- bởi các phản ứng sau:

Những phản ứng hoá học của lignin xảy ra trong quá trình nấu sunfat khá phứctạp Mặc dù cơ chế phản ứng giữa natri sunfat với gỗ còn chưa được nghiên cứuđầy đủ và chưa có kết luận chắc chắn, nhưng có một số điểm thống nhất rất quantrọng là Na2S Nó có tác dụng phân huỷ liên kết ete kém bền của lignin và làm hạnchế sự ngưng trở lại lignin, tốc độ chuyển hoá lignin vào dung dịch nhanh hơn và

dễ dàng hơn nấu sulfit Na2S chỉ thuỷ phân đến hydrosunfua , hydrosunfua tạo ra làtác nhân ái nhân mạnh so với NaOH Nó có khả năng phân nhỏ đại phân tửlignin.Một đặc điểm đặc biệt đối với hydrosunfua là nó có khả năng phân huỷ liênkết ete của lignin, ngay cả liên kết ete khá bền như liên kết ete trong nhóm metoxy

để tạo thành hợp chất như metyl mecaptan, di - metyl sunfua, dimetyl - disunfua

Trong điều kiện quá trình nấu, metylmecaptan chuyển hoá thànhdimetylsunfua ( CH3 - S - CH3), dimetyldisunfua ( CH3 - S – S - CH3) Phản ứnglàm đứt liên kết ete -β- alkylaryl ( khi nhóm OH- chức phenol còn tồn tại) dưới tácdụng của NaSH sẽ mạnh hơn nhiều so với NaOH hợp chất trung gian tạo ra ở phảnứng này là quinometit, trong quá trình phản ứng quinometit chuyển về mecaptan( ở dạng hợp chất này thì phản ứng ngưng tụ khó sảy ra) sau đó mecaptan lại bịphân huỷ tạo thành episunfua:

Hình 1.1 Phản ứng đứt liên kết ete -β- alkylaryl tạo thành episunfua

Episunfua tạo ra lại dần dần chuyển hoá tách lưu huỳnh, chuyển nhóm oxy hoákhử và cuối cùng thu được hỗn hợp nhiều sản phẩm khá phức tạp do quá trìnhdime hoá nên có thể tạo ra cấu tạo kiểu ditian

Hình 1.2 Phản ứng chuyển hóa episunfua tạo thành ditian

Nếu như nhóm OH- của phenol đã bị phế thì phản ứng đứt liên kết ở vị trí β sẽxảy ra qua sản phẩm chung gian epoxy Hidroxit natri tham gia vào phản ứng nàymạnh hơn so với NaSH:

Hình 1.3 Phản ứng đứt liên kết tại vị trí β tạo episunfua qua trung gian quinometit

Liên kết ete α- OH bị đứt dưới tác dụng của xút và natri sunfua là như nhaukhi còn tồn tại nhóm hidroxy tự do của phenol thì liên kết ete ở vị trí α đứt ra dễdàng phản ứng qua sản phẩm chung gian là quinometit Trong cấu tạo phi phenolthì sự cắt đứt liên kết ete ở vị trí α xảy ra khi còn tồn tại nhóm hidroxy tự do ởnguyên tử cacbon cạnh đó phản ứng xảy ra qua sản phẩm chung gian là epoxy theo

cơ chế ion

Phân huỷ liên kết ete α– O – 4 trong cấu tạo phenylphyranol chỉ xảy ra khi còntồn tại nhóm hydroxy tự do xảy ra qua phản ứng trung gian quinometit Tất cả cácphản ứng trên ion hydro sunfua đều thể hiện ảnh hưởng tốt đến quá trình phân huỷlignin Kết quả là đại phân tử lignin bị phân chia thành các phần nhỏ hơn dễ hoàtan vào dung dịch

Nhiệm vụ loại bỏ hoàn toàn lignin khỏi xenluloza được thực hiện tiếp ở côngđoạn tẩy trắng Ngoài lignin còn cả hemixenluloza và xenluloza cũng có các phảnứng hoá học trong quá trình nấu do tác dụng của tác nhân OH- Phản ứng chủ yếu

là bào mòn và thuỷ phân trong môi trường kiềm, nguyên nhân là do đồng phân hoámắt xích mônôme có nhóm khử trong phân tử polysacarit (mắt xích cuối cùng củaphân tư nhóm cacbonyl- CHO) Khi đó, polysacarit đứt dần các mắt xích và phảnứng cần tiếp tục tiếp diễn cho đến khi hemixenluloza và xenluloza hoàn toànchuyển về sản phẩm hoà tan

- Phản ứng bào mòn:

Hình 1.4 Phản ứng bào mòn xenluloza

- Phản ứng ổn định mạch với chất khử Na2S:

Hình 1.5 Phản ứng ổn định mạch với chất khử Na 2 S

Tóm lại, phản ứng cơ bản trong quá trình nấu là phản ứng của lignin Bên cạnh

đó, phần lớn hemixenluloza cũng bị thủy phân do phản ứng bào mòn Ngoài ra, vớitác dụng của môi trường kiềm và nhiệt độ cao thì một phần xenluloza cũng bị phânhuỷ do phản ứng bào mòn Tuy nhiên, do trong khi nấu sunfat có tác nhân Na2Snên cũng phần nào hạn chế được sự phân huỷ của xenluloza

1.6.Cơ chế động học nấu sunfat, những yếu tố ảnh hưởng đến quả trình nấu 1.6.1.Cơ chế

Quá trình chủ yếu xảy ra khi nấu sunfat là phản ứng dị thể trên bề mặt tiếp xúcgiữa gỗ với dung dịch nấu Cơ chế chung của toàn bộ quá trình bao gồm nhữnggiai đoạn kế tiếp nhau như sau:

- Dung dịch nấu thẩm thấu vào dăm gỗ

- Kiềm hoạt tính hấp thụ lên bề mặt phản ứng của dăm gỗ

- Xuất hiện những liên kết hoá học giữa kiềm hoạt tính với những cấu tử của

gỗ (chủ yếu là pha rắn của lignin)

- Phân huỷ những liên kết trong tổ hợp chất của gỗ( chủ yếu là trong phân tửlignin)

Hoà tan những sản phẩm của phản ứng bằng khuyếch tán trong điều kiện sảnxuất, tức là khi nấu với dăm gỗ có bề dày không lớn lắm thì tốc độ khuyếch tán lớnđến mức mà nồng độ kiềm trong mỗi phần của dăm gỗ có thể xem như bằng nhau,nhưng cần phải chú ý đến sự có mặt của không khí trong dăm gỗ tức là kích thướccủa dăm gỗ phải thoả mãn điều kiện sao cho không khí thoát ra khỏi dăm gỗ phảinhanh trước sự tấn công của chất lỏng

1.6.2 Động học nấu sunfat

Theo lý thuyết về động học dị thể, hằng số tốc độ của quá trình hoá học dị thểquan hệ với trở lực khuếch tán và trở lực phản ứng được thể hiện qua công thứcsau :

β: Trở lực của quá trình khuyếch tán

Nếu như tốc độ của phản ứng hoá học thật lớn hơn rất nhiều so với tốc độkhuếch tán thì khi đó k >β và tốc độ chung của toàn bộ quá trình được quyếtđịnh bởi quá trình khuếch tán, ngược lại nếu như tốc độ khuyếch tán lớn hơn rấtnhiều so với tốc độ phản ứng thì khi đó k -> Kp và quá trình dị thể sẽ xảy ra ở

vùng động học hay ở vùng khuếch tán là phụ thuộc vào các điều kiện như nhiệt độ,nồng độ,…

1.6.3 Các thông số tác động tới quá trình nấu :

Bảng 2 :   Các thông số ảnh hưởng tới quá trình nấu

Các điều kiện nấu - Tỷ lệ dịch/gỗ

- Nhiệt độ nấu

- Đường cong nấu, quan hệ thời gian/nhiệt độCác chỉ số khống chế - Mức độ khử lignin

- Tàn kiềm

Ảnh hưởng của dăm mảnh

Thông thường, dăm mảnh cần có thời gian dài để thẩm thấu hoá chất ở nhiệt

độ thấp trước khi nâng cao tới nhiệt độ nấu Cơ chế thẩm thấu là: dịch nấu đi vàocác mao quản dọc, ngang, vào kênh dẫn nhựa và tế bào quản rỗng cũng như các kếtcấu mô dọc đối với gỗ lá rộng Một cơ chế nữa là sự khuyếch tán qua các vách tếbào Theo cơ chế này, sự thẩm thấu theo chiều dọc (vận động của dịch nấu theomao quản ) thường nhanh gấp 50-2000 lần so với khuyếch tán theo theo chiềungang (đối với loại dịch nấu không làm trương nở gỗ theo hoặc có hệ số trương nởthấp ), còn đối với loại dịch nấu có khả năng trương nở cao như như NaOH thì sựkhác biệt tốc độ nhỏ hơn nhiều Vì vậy, trong nấu kiềm, độ dày của dăm mảnhkhông có tác động quan trọng nấu như nấu bằng axit.Khi mức độ thẩm thấu hoá

chất vào dăm mảnh thấp thì tỷ lệ bã thải nấu sẽ lớn (bọt sống lỏi) Do không khíđọng lại trong dăm mảnh sẽ hạn chế tốc độ thẩm thấu dịch nấu và gỗ nên nên trongnấu gián đoạn thường có bước xả khí giả trước khi tăng nhiệt độ đến bảo ôn, còntrong nấu liên tục có bước xông hơi mảnh gỗ trước khi đưa vào nồi nấu Ngoài ra,nâng cao nhiệt độ cũng thúc đẩy tốc độ thẩm thấu.

Khi giảm bớt độ dày của dăm mảnh, tuy có tác dụng đẩy nhanh tốc độ nấu lênkhông nhiều nhưng sẽ làm giảm đáng kể lượng bột sống.Khi tạo được nhiều mảnh

bị “ép dập” thì lượng dùng kiềm giảm đi và hàm lượng cacbohydrat là thành phầnchủ yếu của bột cũng giữ được nhiều hơn.Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất ít dùngloại mảnh này vì phải tăng chi phí bảo quản và tiêu tốn nhiều năng lượng khi chặt.Thông thường, loại mảnh kích thước nhỏ và dài (như vụn xước và mùn bào)cho hiệu suất bột thấp, độ bền bột kém hơn và tiêu tốn nhiều kiềm.Hơn nữa, khichứa nhiều mảnh vụn thì tuần hoàn dịch trong nồi nấu sẽ khó khăn hơn, vì vậythường phải nấu riêng loại này trong các nồi thiết kế đặc biệt [12]

Độ sunfua

Các nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng: độ sunfua trong dịch kiềm làmquá trình phân huỷ lignin dễ dàng và sự di chuyển lignin vào dung dich nấu cũngđược tăng cường trong khi đó tốc độ hoà tan của hydratcacbon không đổi

Qua rất nhiều nghiên cứu khoa học khác nhau người ta đã rút ra kết luận: tăng

độ sunfua từ 0 - 16% sẽ có tác dụng như khi tăng nhiệt độ nấu lên 7 - 8oC Từ mức16% độ sunfua tác dụng phân huỷ lignin được tăng cường rõ rệt Thông thường, độsunfua được áp dụng hiện nay cho nấu bột từ 20 - 35 %, thậm chí đã có nơi lên đến40% Tuy nhiên, khi tăng độ sunfua cao cũng có ảnh hưởng xấu, đó là: tính ăn mòncủa dịch nấu tăng, độ trắng của bột giảm và hàm lượng các chất thải độc hại tănglên [12]

Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ sunfua và thời gian nấu tới năng suất và hàmlượng lignin trong bột được thể hiện ở biểu đồ dưới đây [12]

Hình 1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ sunfua và thời gian nấu tới hiệu suất và

lượng lignin trong bột

Ảnh hưởng của nồng độ kiềm và lượng dùng cho nấu đến hiệu suất và chất lượng xenluloza

Nồng độ kiềm hoạt tính trong dung dịch nấu và nhiệt độ là 2 yếu tố quan trọngnhất đối với quá trình nấu bột Nó quyết định tốc độ của phản ứng hóa học xảy ratrong toàn bộ quá trình nấu, cứ tăng nồng độ kiềm lên 2 lần thì thời gian nấu giảm

đi 1 nửa.Không chỉ vậy, tăng nồng độ kiềm còn làm tăng quá trình phân huỷpolysacarit Thực nghiệm cho ta thấy: hàm lượng α-xenluloza là 84.2% khi nồng

độ kiềm là 30g NaOH, còn khi tăng lên 75 - 80g NaOH thì hàm lượng α-xenlulozachỉ còn 78 % Như vậy, muốn cho tính chất của xenluloza tốt hơn, cần phải nấu vớikiềm có nồng độ thấp

Tiêu hao kiềm hoạt tính (theo lý thuyết): là khối lượng kiềm đủ để trung hoàtất cả các axit (oxi axit) sinh ra trong quá trình nấu Trong thực tế, lượng tiêu haokiềm cao hơn nhiều so với lý thuyết vì lượng kiềm tiêu tốn theo lý thuyết không đủkhả năng tiến hành quá trình nấu đến khi kết thúc, bởi vậy lượng kiềm hoạt tính sửdụng cho nấu bao giờ cũng phải dư ra

Thực nghiệm cho thấy: nếu tiêu tốn kiềm hoạt tính tăng lên gấp đôi thì thờigian nấu để đạt đến cùng 1 hiệu suất rút ngắn được 2 lần Tuy vậy, thực tế đã xuất

tiêu hao kiềm lớn.Để giải quyết mâu thuẫn này người ta đề ra khái niệm "modulnấu", đó là tỷ số giữa khối lượng chất lỏng và khối lượng nguyên liệu khô tuyệtđối.Dù rằng nó không phải là thông số quyết định trong nấu bột, nhưng người ta cốgiữ lượng nước cho vào nồi càng thấp càng tốt vì điều này sẽ tiết kiệm được nhiệtlượng.Thông thường trong nấu bột xenluloza sunfat mềm tỉ lệ lỏng rắn là 4 - 4.5.[12]

Nhiệt độ nấu tối đa

Mặc dù tăng nhiệt độ để đẩy nhanh tốc độ phản ứng nhưng việc nâng nhiệt độtối đa lên cao hơn 1800C không đem lại hiệu quả gì khả quan hơn vì nếu nấu trên

1800C, độ bền cũng như hiệu suất bột sẽ bị giảm đáng kể do các phân tử xenluloza

bị tấn công mạnh và phân hủy

Các yếu tố cần kiểm tra khi nấu bột

Yếu tố quan trọng nhất khi nấu là đảm bảo trị số kappa của bột Do khó bảođảm việc nạp nguyên liệu vào nồi đồng đều khắp nơi, cho nên trị số kappa khi lấymẫu ở các vị trí khác nhau có các giá trị khác nhau Thông thường, người ta phải

đo trị số kappa vài lần trong một mẻ nấu, có khi còn bổ xung đo hệ số H và khi kếtthức nấu người ta còn đo cả lượng tàn kiềm trong dịch đen

Ngoài ra, còn một số chỉ số khác cũng chịu ảnh hưởng của trị số kappa.Ví

dụ cường độ tối đa của bột Trong sản xuất còn có khi tính đến yêu cầu của côngđoạn thu hồi xút, cho nên thường kết thúc nấu ở tàn kiềm còn cao Cũng có khi yêucầu chủ yếu là đạt được hiệu suất bột cao nhất.Tương tự đối với bột để tẩy, khi xácđịnh chỉ số kappa tối ưu thường phải tính đến việc bảo đảm cho bột đạt hiệu suấtcao nhất sau tẩy

II Lập luận chọn sơ đồ công nghệ

2.1.Sơ đồ công nghệ nấu sunfat liên tục trong thiết bị nấu Kamyr

Việc thiết kế và lựa chọn một dây chuyền công nghệ và thiết bị công nghệ sản xuất

là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình xây dựng vận hành nhàmáy sản xuất bột giấy

Dựa vào cơ sở lí thuyết trên và sự phổ biến chọn dây chuyền công nghệ , thiết

bị sản xuất chính cho dây chuyền nấu bột sunfat gỗ cứng liên tục là hệ thống nấuliên tục với nồi đứng theo hệ thống nấu Kamyr

Chọn hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật và công nghệ Các thiết bịphổ biến ,hiện đại, dễ lắp đặt, vận hành và thay thế sữa chữa khi xảy ra sự cố

1- Bunke mảnh; 2- Thiết bị điều tiết mảnh; 3- Tiếp liệu áp suất thấp;4- Buồng xông hơi; 5- Buồng điều tiết; 6- Bể chứa dịch trắng; 7- Bể điềutiết; 8- Tiếp liệu áp suất cao; 9- Nồi nấu (9a-khoang tẩm mảnh; 9b- khoang nấu;9c, 9d- khoang rửa bột nóng); 10- Trao đổi nhiệt; 11-Thiết bị phân ly hơi (Cyclonnở); 12- Bộ phận dỡ bột; 13- Thiết bị rửa liên tục khuếch tán; 14- Bể bột

2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hệ thống thiết bị bao gồm nồi nấu có khoang rửa nóng và hai hệ thống cấpdăm mảnh hoạt động tương tự nhau Miệng nồi có hai cửa nạp nguyên liệu kết nốivới hai hệ thống cấp dăm mảnh

Dăm mảnh từ bunke (1) qua bộ điều tiết dăm mảnh (2) và tiếp liệu áp suất thấp(3), được cấp vào buồng xông hơi (3) Tại đó, dăm mảnh được xông hơi bằng hơithu hồi từ thiết bị phân ly hơi (11) và hơi sống áp suất 0,3-0,4MPa Quá trình xông