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
Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành MỤC LỤC MỞ ĐẦU I.Cơ sở lý thuyết 1.1 Thực trạng sản xuất tiêu thụ bột giấy nước ta 1.2 Các khái niệm : 1.3 Phương pháp nấu liên tục: 1.3.1 Sơ lược 1.3.2 Ưu điểm phương pháp nấu liên tục: 1.3.3 Thiết bị nấu liên tục: 1.4 Lý thuyết nấu bột theo phương pháp nấu sunfat : 1.4.1 Các giai đoạn q trình nấu 1.4.2.Dịch nấu 1.5 Những tượng xảy trình nấu : 10 1.6.Cơ chế động học nấu sunfat, yếu tố ảnh hưởng đến trình nấu 15 1.6.1.Cơ chế 15 1.6.2 Động học nấu sunfat 15 1.6.3 Các thơng số tác động tới q trình nấu : 16 II Lập luận chọn sơ đồ công nghệ 20 2.1.Sơ đồ công nghệ nấu sunfat liên tục thiết bị nấu Kamyr 20 2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 21 III Tính cân vật chất nhiệt lượng 23 3.1 Các số liệu ban đầu 23 3.2 Tính cân vật chất 24 3.2.1 Xông dăm mảnh: 24 3.2.2 Nạp dăm mảnh dịch nấu vào nồi: 26 3.2.3 Thẩm thấu mảnh khoang thẩm thấu nồi nấu 27 3.2.4 Nấu bột khoang bảo ôn 28 3.2.5 Chiết dịch đen khỏi nồi nấu 28 3.2.6 Rửa phóng bột 30 3.3 Tính cân nhiệt lượng SVTH : Lê Đình LongPage 32 Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành 3.3.1Tiêu hao nhiệt cho xông mảnh : 33 3.3.2 Tiêu hao nhiệt cho nấu bột: 34 IV Tính tốn lựa chọn thiết bị 36 4.1 Ngun tắc tính tốn lựa chọn thiết bị 36 4.2 Các thiết bị dây chuyền sản xuất 36 4.2.1 Nồi nấu 36 4.2.2 Thiết bị đo lượng mảnh 37 4.2.3 Tiếp liệu áp suất thấp 37 4.2.4 Tiếp liệu áp suât cao 38 4.2.5 Buồng xông dăm mảnh 39 4.2.6 Thiết bị trao đổi nhiệt 39 4.3 Thiết bị phụ trợ : 39 4.3.1 Các loại bơm : 39 4.3.2 Bể phóng 40 4.3.3 Thiết bị rửa khuếch tán 40 V Tài liệu tham khảo SVTH : Lê Đình LongPage 41 Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành MỞ ĐẦU Ngành giấy ngành hình thành từ sớm Việt Nam, khoảng năm 284.Từ giai đoạn đến đầu kỷ 20, giấy làm phương pháp thủ công để phục vụ choviệc ghi chép, làm tranh dân gian, vàng mã…Năm 1912, nhà máy sản xuất bột giấy phương pháp công nghiệp vào hoạt độngvới công suất 4.000 giấy/năm Việt Trì Trong thập niên 1960, nhiều nhà máy giấy đầu tư xây dựng hầu hết có cơng suất nhỏ (dưới 20.000 tấn/năm) Nhà máy giấy ViệtTrì; Nhà máy bột giấy Vạn Điểm; Nhà máy giấy Đồng Nai; Nhà máy giấy Tân Mai v.v Năm 1975,tổng công suất thiết kế ngành giấy Việt Nam 72.000 tấn/năm ảnh hưởng chiến tranh cân đối sản lượng bột giấy giấy nên sản lượng thực tế đạt 28.000tấn/năm Năm 1975, tổng sản lượng bột giấy nước 28 nghìn tấn/năm, vượt triệu tấn/năm, đáp ứng 64% nhu cầu tiêu dùng nước. Tuy nhiên, với khối lượng xa đáp ứng nhu cầu cho ngành sản xuất giấy, hàng năm nước ta phải nhập lượng bột giấy sản phẩm giấy với lượng gần tương đương sản lượng nước. Lượng bột giấy thiếu hụt chủ yếu xử lý tái chế giấy cũ phần lớn nhập từ Bắc Mỹ, Trung Quốc…Nhu cầu xây dựng nhà máy bột giấy, đáp ứng nhu cầu tận dụng nguồn nguyên liệu nước cần thiết Vì vậy, em chọn đề tài thiết kế hệ thống nồi nấu bột giấy liên tục theo phương pháp nấu sunfat cơng suất 150 nghìn tấn/năm Đồ án thiết kế gồm phần chính: ⮚ Cơ sở lý thuyết ⮚ Lựa chọn cơng nghệ ⮚ Tính cân vật chất lượng ⮚ Tính tốn lựa chọn thiết bị ⮚ Bản vẽ sơ đồ cơng nghệ thiết bị SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành I.Cơ sở lý thuyết 1.1 Thực trạng sản xuất tiêu thụ bột giấy nước ta a.Thực trạng Ở Việt Nam, nhà máy bột giấy lớn hoạt động có hiệu khơng nhiều cơng suất thực tế cịn nhỏ Nhà máy bột giấy An Hịa có công suất 130.000 tấn/năm, nhà máy bột giấy Bãi Bằng khoảng 50.000 tấn/năm số nhà máy có cơng suất nhỏ khác Mặc dù có nhiều dự án bột giấy lớn thi công : bột giấy Tân Mai 200.000 tấn/năm , Bột giấy VNT 19 , Bột giấy Phương Nam , Lee&Man … Tuy nhiên, hầu hết dự án chậm trễ,bị thu hồi giấy phép không hoạt động b.Nhu cầu giá : Hiện nay,sản xuất bột giấy nước chưa đáp ứng đủ nhu cầu, dù không ngừng tăng nhanh dự án suất số lượng Dù vậy, nguồn gỗ trồng Việt Nam băm nhỏ làm gỗ dăm bán sang Trung Quốc với giá rẻ Giá xuất dăm gỗ Việt Nam sang Trung Quốc Nhật trung bình 110120 USD/tấn Còn giá nhập bột giấy vào khoảng 900-1.000 USD/tấn Theo số liệu Hiệp hội Gỗ Lâm sản Việt Nam (Vifores), năm 2014 Việt Nam xuất gần triệu dăm gỗ khô, tương đương với khoảng 3,6 triệu bột giấy.Đây tin không vui ngành công nghiệp giấy bột giấy 1.2 Các khái niệm : Thành phần bột giấy xenluloza, polymer tự nhiên có nguồn gốc từ thực vật, ngun liệu sản xuất bột giấy loại thực vật thân gỗ số dạng nông – lâm sản ngồi gỗ (ngun liệu phi gỗ), gỗ nguyên liệu chủ yếu Trong đồ án này, em sử dụng nguyên liệu gỗ cứng – bạch đàn, cung nguyên liệu chủ yếu sản xuất bột giấy tai Việt Nam Nấu : trình xử lý nguyên liệu phù hợp tác nhân nấu ( hóa chất, nhiệt độ, áp suất ) thiết bị nấu chuyên dụng Mục đích : Tách thành phần khác nguyên liệu thực vật khỏi xơ sợi ( tách loại lignin, chất trích ly …) Dịch nấu dung dịch hóa chất để nấu bột : SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội ● Đồ án chuyên ngành Dịch trắng dich pha chế, thành phần chưa sử dụng cho chu trình nấu ● Dịch xanh dung dịch hóa chất thu từ q trình thu hồi hóa chất sau nấu, có thành phần tương tự dịch trắng Dịch xanh tái sử dụng để nấu bột ● Dịch đen phần chất lỏng thu sau nấu bột Thành phần chủ yếu bao gồm hóa chất cịn dư dịch nấu ban đầu, sản phẩm hòa tan phân hủy nguyên liệu lượng nhỏ xơ sợi nhỏ chưa loại bỏ ● Tỷ dịch hay modul nấu tỷ lệ dịch nấu (m 3) khối lượng khô tuyệt đối nguyên liệu mang nấu (tấn) Các phương pháp nấu : bột sunfat nấu theo phương pháp sunfat, tác nhân nấu là: NaOH Na2S Với phương pháp là: ● Phương pháp nấu gián đoạn: trình nấu theo mẻ ● Phương pháp nấu liên tục: nguyên liệu cấp vào bột tháo dỡ liên tục Phương pháp nấu liên tục áp dụng rộng rãi giới nhờ ưu điểm vượt trội so với nấu gián đoạn Trong đề tài, em lựa chọn phương pháp nấu sunfat, theo công nghệ liên tục 1.3 Phương pháp nấu liên tục: 1.3.1 Sơ lược Bột sunfat chủ yếu sản suất theo phương pháp nấu liên tục Thiết bị nấu liên tục sản xuất năm 1983 Thụy Điển Thiết bị nấu liên tục đưa vào sử dụng rộng rãi năm 1970 Hiện nay, phương pháp nấu liên tục sản xuất 2/3 sản lượng bột giấy giới 1.3.2 Ưu điểm phương pháp nấu liên tục: ⮚ Năng suất đơn vị thể tích (m3) nồi nấu tăng ⮚ Tăng diện tích sử dụng phân xưởng nhờ suất tăng SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành ⮚ Giảm quy mô thiết bị cơng nghệ (bể chứa,dịch nấu …) nhờ q trình vận hành đặn, liên tục ⮚ Giảm kích thước số lượng thiết bị thu hồi nhiệt q trình xả khí phóng đỉnh khơng cịn ⮚ Định mức tiêu hao lương cố định tạo thuận lợi cho phận cung cấp lượng ⮚ Hệ thống tuần hồn liên tục, khép kín: giảm tiêu hao hơi, giảm ô nhiễm môi trường 1.3.3 Thiết bị nấu liên tục: Nấu liên tục thực thiết bị nấu liên tục, hệ thống thiết bị đồ sộ phức tạp Phổ biến thiết bị Kamyr hãng Kvaener Pulping Số lượng nồi nấu liên tục Kamyr giới đạt đến số 500 bộ, suất thiết bị đạt hàng trăm tấn/ngày.Tại Nhật Bản, 70% sản lượng bột hóa sản xuất thiết bị nấu Kamyr Các nước khác khu vực Đông Nam Á áp dụng công nghệ từ lâu Thái Lan, Indonesia Nồi nấu có nắng suất cao thuộc quyền hãng Metso, đạt 4500 tấn/ngày, có đường kính đáy nồi 12,5 m, chiều cao 72 m Nồi nấu cơng ty cổ phần giấy An Hịa có suất 450 tấn/ngày, áp dụng cơng nghệ Compact CookingTM hệ 2, có đường kính gần m, chiều cao 30m Kể từ lắp đặt vận hành lần vào năm 1938 nhà máy giấy Carlsberg, Thụy Điển, công nghệ thiết bị nấu liên tục Kamyr liên tục cải tiến hoàn thiện Sự phát triển thành công công nghệ nấu sunfat liên tục thiệt bị Kamyr, từ công nghệ truyền thống Hi-Heat, trải qua hệ thiết bị nấu với công nghệ tiến MCC (Modified Continous Cooking), nấu đẳng nhiệt(ITCTM BLITM), LO-COLIDS ngày công nghệ Compact CookingTM G1, công nghệ tiên tiến Compact Cooking TM G2, minh chứng cho ưu điểm vượt trội nâu liên tục so với nấu gián đoạn, kể nấu gián đoạn cải tiến SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành 1.4 Lý thuyết nấu bột theo phương pháp nấu sunfat : 1.4.1 Các giai đoạn q trình nấu ⮚ Kiểm tra nồi nấu: Bao gồm kiểm tra xem bột 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 dịch nấu : Mảnh từ kho chứa đưa vào thiết bị xông nước, thiết bị có vít tải đẩy mảnh Hơi nước dùng chủ yếu từ bột phóng nấu xong Khi xơng nên bổ xung thêm lượng với áp lực 1kg/cm2 Mảnh thiết bị xông hơi nước với nhiệt độ 100C đến 110C thẩm thấu, sau vào thiết bị nạp mảnh áp suất cao Dịch đưa vào thiết bị nạp mảnh áp suất cao chủ yếu dịch kiềm tuần hoàn dẫn từ đỉnh nồi có phần dịch đen bổ xung Dịch mảnh từ thiết bị nạp mảnh áp suất cao đưa lên đỉnh nồi Ở lượng dịch thừa lại thiết bị đặc biệt dẫn trở lại máy nạp mảnh Mảnh qua xông bị dịch kiềm thẩm thấu nhanh trình nấu bột tiến hành mãnh liệt Thời gian nạp mảnh dịch thường từ 35-45 phút ⮚ Quá trình nấu Thời gian nấu rút ngắn cịn khoảng từ – Nhiệt độ nấu thiết bị gia nhiệt tuần hoàn đem lại khoảng 165 – 170 oC Dịch nấu rút nửa phần nồi, qua bơm máy gia nhiệt đưa lên nửa phần nồi Khi gia nhiệt dịch kiềm người ta dùng nước có áp lực 12kg/cm2 Nhiệm vụ nấu cung cấp bột có chất lượng đồng số kappa ổn định mức tiêu thụ hóa chất tốt, số kappa khoảng 17-20 Để đạt số kappa mong muốn có phương pháp : thay đổi thời gian nấu, thay đổi nhiệt độ nấu tối đa, thay đổi mức dung kiềm Tàn kiềm trì 8-12 g/l để đảm bảo độ nhớt định để tránh đóng cơng đoạn chưng bốc dịch đen ⮚ Rửa bột khuếch tán : SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành Bột nấu chín thơng qua van phóng đáy nồi lên bình phóng bột Hơi nước từ bình phóng bột bốc lên dẫn vào thiết bị xơng hơi, cịn bột dùng dịch đem làm lỗng đưa cơng đoạn rửa 1.4.2.Dịch nấu Thành phần hoạt tính dịch nấu gồm có NaOH Na 2S.Tổng lượng kiềm hoạt tính (thường qui đổi đơn vị Na2O) % Na2O tiêu tốn so với lượng gỗ khô tuyệt đối, gọi tiêu tốn kiềm hoạt tính cho nấu Ngồi kiềm hoạt tính, dung dịch nấu cịn có lượng Na2CO3 , lượng tồn phản ứng sơ đa hố xảy khơng hồn tồn N a2 C O3 +Ca¿ Bên cạnh đó, kiềm trắng có dạng muối Na khác Na2SO4, NaAlO2, NaCl … Việc sử dụng Na2S dịch nấu làm cho tồn lượng Na 2SO4 định, lượng muối từ phản ứng khử sunfat xảy khơng hồn tồn lị đốt thu hồi Na2 SO +2 C → Na2 S +2CO Theo cịn lẫn phần hợp chất khác Na2CO3, Na2S2O3 Tổng tất dạng muối natri (trừ NaCl) có kiềm trắng gọi toàn kiềm qui đổi đơn vị chuẩn Na 2O hay NaOH Các thuật ngữ tiêu chuẩn sử dụng phương pháp sunfat bảng kê (tính theo đơn vị Na2O hay NaOH) - Kiềm hoạt tính (AA) NaOH + Na2S (g/l) - Kiềm hữu hiệu (EA) - Tổng kiềm chuẩn độ (TTA) Độ hoạt tính (%) = Độ xút hoá (%) = Độ sunfua (%) = Độ khử (%) = SVTH : Lê Đình LongPage NaOH + Na2S (g/l) NaOH + Na2S + Na2CO3 (g/l) Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành Thuật ngữ Định nghĩa Đơn vị đo Tổng lượng hợp chất kiềm có dịch Tổng kiềm g/l (NaOH + Na2S + Na2CO3 + Na2SO4 + (Total Al Kali - TA) (tính Na2O) Na2SO3) không bao gồm NaCl Tổng kiềm chuẩn TTA Tổng lượng (NaOH + Na2S + Na2CO3) Kiềm hoạt tính AA Tổng lượng (NaOH + Na2S) Tổng lượng (NaOH + Na2S) Độ hoạt tính Tỷ lệ AA/TTA Độ xút hố Tỷ lệ NaOH + Na S Độ sunfat hoá Tỷ lệ Na2S/AA hay Na2S/TTA (tính Na2O) g/l (tính Na2O) % % NaOH Nồng độ kiềm chuẩn axit Tỷ lệ Hệ số khử (tính Na2O) g/l Kiềm hữu hiệu EA Tan kiềm dịch đen g/l (tính Na2O) % (tính Na2O) g/l (tính Na2O) N a2 S T ổ ngki ề mp h ả nứ ng N a2 S Có Na S + N a S O 2 g/l (tính Na2O) Bảng 1: Định nghĩa thuật ngữ nấu sunfat SVTH : Lê Đình LongPage Trường ĐHBK Hà Nội Đồ án chuyên ngành Nồng độ kiềm hoạt tính kiềm trắng biến động từ 70 đến 120 g/l (đơn vị Na2O) Sau rót kiềm vào nồi nấu có pha lỗng dịch đen cho vào nấu nước có dăm gỗ nên nồng độ kiềm hoạt tính giảm xuống đến 30 g/l (tính Na2O) đến 40 g/l NaOH Ở nồng độ kiềm nấu có số pH ban đầu cao khoảng 12 - 13 Khi kết thúc trình nấu kiềm hoạt tính cịn lại - g/l (Na2O) tức giảm xuống khoảng 10 lần so với nồng độ ban đầu Trong điều kiện số pH dung dịch nấu thay đổi cố định môi trường kiềm mạnh (pH 11 - 12 ) Đến cuối trình nấu dung dịch nấu cịn có thêm muối natri axit vô yếu với hàm lượng đủ lớn gần cuối trình nấu hàm lượng muối natri axit hữu sinh nhiều Những kiện có khả hình thành dung dịch đệm Như số pH dung dịch nấu đủ lớn trường hợp tồn kiềm hoạt tính bị tiêu hao hoàn toàn Các thành phần kiềm nấu muối natri axit yếu Na 2CO3, Na2S, Na2SO3 chúng tham gia phản ứng thuỷ phân: Na2 S+ H O⇔ NaOH + NaSH Na2 C O3 + H O⇔ NaOH + NaHSO3 N a2 SO + H O⇔ NaOH + NaHS O3 Độ thuỷ phân axit phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ dung dịch, chí cịn phụ thuộc vào có mặt hydroxit natri tự kiềm Trong điều kiện thay đổi muối axit yếu hydro sunfat cacbonic thuỷ phân mạnh Độ mạnh axit H 2SO3> H2CO3 > H2S Na2S thành phần kiềm nấu Trong q trình nấu có 1/2 lượng Na 2S kiềm trắng tham gia phản ứng thuỷ phân sinh NaOH Na 2S lại Na2S tự Do có khái niệm kiềm hữu hiệu Kiềm hữu hiệu: NaOH + 1/2 Na2S (trong kiềm trắng) 1.5 Những tượng xảy q trình nấu : Q trình nấu gỗ q trình tách lignin, mục đích dùng tác nhân phản ứng tác dụng với lignin, làm cho đại phân tử lignin bị tách phần có phân tử lượng nhỏ hoà tan vào dịch nấu Cịn lại xenluloza khơng hồ tan thu hồi dạng tự nhiên Trong thành phần dịch nấu xenluloza sunfat ngồi NaOH cịn có Na 2S thuỷ phân sinh ion sunfua ( S2-) ion HS- phản ứng sau: SVTH : Lê Đình LongPage 10