Введение
Среди химических волокон, формируемых мокрым способом, наибольшее распространение в промышленности получили вискозные волокна. С помощью используемых на этих производствах установок регулирующие технологических растворов (осадительной, пластификационной ванн), удаляются убыточные количества воды и сульфата натрия без потерь ценных компонентов – сульфата цинка, серной кислоты, и поверхностно – активных веществ (ПАВ). Для выведения избыточного количества воды применяют процессы выпаривания для выведения сульфата натрия – процессы кристаллизации, при которых наряду с получением товарного продукта – сульфата натрия высокой степени чистоты возвращаются в производственный цикл все оставшиеся компоненты в виде осадительного раствора.
Важным фактором, определяющим экономику регенерации, является стоимость выпаривания воды из раствора и себестоимость товарного сульфата натрия. Традиционные процессы выпаривания и кристаллизации весьма энергоемки и поэтому затраты в основном зависят от расхода технологического пара (другие виды затрат существенно ниже). В связи с этим повышение эффективности собственно процесса регенерации определяется главным образом использованием энергетических совершенных установок. Основным направлением в решении этой задачи является максимальное использование вторичного пара с помощью теплового насоса.
Промышленный процесс кристаллизации и его аппаратурное оформление для получения товарного продукта сульфата натрия (безводного) характерен тем, что себестоимость его значительно превышает оптовую цену. Хотя затраты частично или полностью окупаются стоимостью возвращенных реагентов, расходы на процесс кристаллизации остаются неоправданно высокими. Повышение экономичности процесса кристаллизации может быть осуществлено путем резкого снижения энергозатрат, главным образом на стадии получения глауберовой соли.
В современных условиях хозяйствования перевод химических производств на энергосберегающие экологически чистые технологии является актуальной задачей. Отечественной инженерной фирмой КОНЕН на базе Светлогорского АО (Химволокно) реализовано на установки кристаллизации сульфата натрия из технологических растворов производство вискозного волокна – на стадии извлечения г глауберовой соли из вины дегидратации ее до безводного сульфата натрия реализована энергосберегающая технология. Результаты энергосбережения при равных объемах регенерируемой ванны (№ 26 м з/ч) представлены в таб. 1., данные представлены для стадии дегидратации глауберовой соли на базе двух вертикальных выпорных кристаллизаторов диаметром 2300 мм двухкорпусной схемы вакуум – кристаллизационной установки с тепловым насосом для обогрева первого корпуса и отбора экстра – пара из него для обогрева второго корпуса.
Таблица 1.Энергозатраты на реконструкцию
| Затраты | Удельный расход | |
| До реконструкции | После реконструкции | |
| 1. Водяной пар, кг / 1000 кг Na 2SO 4 | 3700 | 415 |
| 2. Вода , м 3/1000 кг Na 2SO 4 | 40-60 | 7-10 |
| 3. Энергия всех видов, Дж/1000 кгNa 2SO 4 | 9,6275*10 9 | 1,26*10 9 |
Следствием изменения технологии и режима стадии, новой организации движения материальных и тепловых потоков производительность стадии по товарному продукту – сульфату натрия достигла 70000 кг в сутки, то есть возросла в 2 раза.
Таким образом на стадии дегидратации глауберовой соли до безводного сульфата натрия и реализации энергосберегающей технологии, на ряду с увеличением производительности стадии по товарному продукту, достигнуты снижение удельных затрат водяного пара и охлаждающей воды в 8 – 8,5 раз, а общего расхода энергии в 7,5 раза.
В данном проекте предлагается вышеуказанный опыт использования энергосберегающей технологии применить для условий кристаллизации сульфата натрия ОАО «Балаковские волоконные материалы».
1. О бзор и анализ существующих технологических схем и типов основного оборудования и технологического процесса
В процессе формирования вискозного волокна состав осадительной ванны значительно изменяется – понижается концентрация серной кислоты, увеличивается содержание сульфата натрия и серы. Общий объем ванны в результате разбавления ее водой, находящейся в вискозе непрерывно увеличивается.
Объем ванны должен быть постоянным, по этому избыток ее, образующийся в результате разбавления водой, должен направляться на регенерацию.
Регенерация осадательной ванны заключается в удалении избытка воды вакуум – выпариванием и избытка сульфата натрия кристаллизацией.
Чтобы отчетливо представить значение регенерации осадительной ванны для уменьшения расхода кислоты и солей ниже приведен примерный баланс осадительной ванны (в кг) для завода вискозного волокна, производительностью 120 т/сутки (табл. 2).
| Компоненты баланса | На 1 кг волокна, кг | Всего в сутки, кг. |
| Вода (поступает в ванну) | 9,520 | 1142400 |
| - вносимая с прядильным раствором | 0,322 | 39840 |
| - от нейтрализации щелочи | 0,214 | 25680 |
| - вводимая при добавке реактивов | ||
| ИТОГО: | 10,066 | 1207920 |
| Вода (расход) | ||
| - уносимая нитью из ванны | 3,182 | 381840 |
| - теряемая в следствие разбрызгивания и утечки из ванны | 0,789 | 93960 |
| - испаряемая | 2,100 | 252000 |
| ИТОГО: | 6,065 | 727800 |
| Серная кислота в расчет на 100%-ную (расход) | ||
| - на нейтрализацию щелочи | 0,903 | 108360 |
| - потери: Из за уноса ванны с волокномИз за разбрызгивания и утечки с ванной в канализацию | 0,1790,1260,662 | 214801512079440 |
| ИТОГО: | 1,870 | 224400 |
| Сульфат натрия (в пересчете на 100%-ный) | ||
| - образующейся при нейтрализации щелочи в вискозе | 1,308 | 156960 |
| - потери:Из за уноса с волокномИз за разбрызгивания, утечки с ванной, сбрасываемой в канализацию | 0,6890,1771,177 | 8268021240141240 |
| ИТОГО потерь: | 2,043 | 245160 |
| Сернокислый цинк ( расход) | 0,2 | 24000 |
Приведенные цифры показывают, что из осадительной ванны должно быть удалено 1207920 – 727800 = 480120 кг воды, или 10,066 – 6,065 = 4,001 кг/кг ниже, а часть ванны спускать в канализацию, то на каждый килограмм волокна теряется 0,72 кг серной кислоты, 1,1 кг сульфата натрия и 0,07 кг сульфата цинка.
Регенерация ванны необходима не только для уменьшения расходов реагентов на 25- 30 % , но и для устранения загрязнения водоемов.
Таким образом, целью регенерации осадительной ванны является устранение загрязнения водоемов, уменьшения расхода реагентов путем испарения воды и кристаллизации избытка сульфата натрия.
Осадательная ванна может быть подвергнута полной или частичной регенерации.
При частичной регенерации из ванны удаляется не весь избыток воды, поступающий в нее с вискозой, а только часть. Количество воды, испаряемой при частичной регенерации, определяется требованиями сохранения в ванне постоянной концентрации сульфата натрия. Если испарить всю избыточную воду, то в ванне будет накапливаться сульфат натрия в количестве до 0,6 кг/кг волокна. Этот избыток сульфата натрия должен быть удален из упаренного раствора кристаллизацией или другими методами.
При частичной регенерации, надо выпарить 50-60 % от общего количества избыточной воды, а остальное - спустить в канализацию. Естественно, что полная регенерация более целесообразна.
Для регенерации осадительной ванны предложены различные методы. Избыточную воду испаряют продуванием горячего воздуха через предварительно нагретую ванну – контактная выпарка, или выпариванием в вакуум – выпарном аппарате.
Избыток сульфата натрия из упаренной ванны выделяют кристаллизацией (из насыщенного раствора).
Так как сульфат натрия выделяется в виде десятиводного гидрата, то при кристаллизации удаляется и некоторое количество воды из раствора. Наиболее перспективным методом регенерации осадительной ванны является электролиз сульфата натрия в кислой среде. Этот метод представляет интерес для вискозной промышленности, где в значительных количествах расходуется как сенная кислота, так и сульфат натрия.
При электролизе сульфата натрия оба эти реагента получаются в эквивалентных количествах и могут быть использованы в производстве. При взаимодействии щелочи с серной кислотой в процессе формования вискозного волокна вновь образуется сульфат натрия, который при электролизе снова дает серную кислоту и щелочь. Следовательно, при осуществлении этого метода регенерации создается замкнутый цикл и расход щелочи и серной кислоты сводиться к пополнению неизбежных потерь. Этот метод был опробован в полупроизводственных условиях и были получены обнадеживающие результаты. Основное затруднение, возникающее при реализации указанного метода, заключается в повышенном расходе электроэнергии и, соответственно, пониженных выходах по току при электролизе сульфата натрия ( по сравнению с электролизом хлористого натрия). В связи с вышеуказанным, этот метод пока не может быть применен в данном проекте, т.к. требует дальнейшей разработки с целью снижения расхода электроэнергии и увеличения выхода по току.
Таким образом, пока кристаллизация является основным методом удаления избытка сульфата натрия из осадительной ванны.
Выделение сульфата натрия при полной регенерации ванны производиться в аппаратах, применяемых для кристаллизации солей в различных отраслях химической промышленности. Для этих целей обычно используют горизонтальные многосекционные цилиндрические вакуум-кристаллизаторы, вакуум в которых создается пароструйными многоступенчатыми установками. Выпадающие кристаллы глауберовой соли отделяются от маточного раствора на центрифугах и направляются на обезвоживание (удаление кристаллизационной воды). Обезвоживание проводят путем нагрева в баках с мешалкой при 50 – 55 0 С. Образующиеся кристаллы вместе с маточным раствором поступают в испарители – кристаллизаторы, где удаляется вода, центрифугируют, сушат и направляют на упаковку. Высушенный безводный сульфат натрия используется в различных отраслях народного хозяйства (производство синтетических моющих средств, стекольная промышленность и др.)