Определение математической зависимости плотности черного щелока от содержания сухих веществ (хвойная ЦВВ )

УДК

676.022.623

DOI:

10.37482/0536-1036-2021-1-192-200

Аннотация

Современная выпарная станция – это энергосберегающее производство упаренного щелока с высоким содержанием сухих веществ для обеспечения минимальных выбросов SO₂ из содорегенерационного котла. Такие станции оснащены аппаратами типа падающей пленки (Falling Film) и состоят из 5–7 ступеней. Необходимость совершенствования и создания новых концентраторов черного щелока обусловлена повышенным вниманием к вопросам охраны окружающей среды и желанием получать щелок с более высокой теплотворной способностью. Физические свойства черного щелока зависят от его состава и оказывают существенное влияние на подбор выпарных аппаратов и проектирование выпарных вакуумных установок. К основным свойствам, учитываемым в процессах выпарки и сжигания, относятся: плотность, вязкость, поверхностное натяжение, теплота сгорания и температура кипения. Важнейшими для процесса выпаривания щелока являются такие его характеристики, как вязкость, влияющая на способность к перекачиванию и конструктивные особенности, и плотность, с помощью которой контролируют содержание сухих веществ и процесс выпарки на основных стадиях регенерации щелока. Исследование выполнено в целях определения математической зависимости плотности черного щелока от содержания сухих веществ для хвойной целлюлозы высокого выхода. В задачи исследования входило: проанализировать влияние температуры и концентрации сухих веществ на плотность черного щелока от варки хвойной целлюлозы высокого выхода по технологическому потоку производства; разработать математическую модель зависимости плотности черного щелока сульфатной хвойной целлюлозы высокого выхода от концентрации и темпера- туры; провести сравнительную апробацию результатов математической и корреляционной зависимости TAPPI. Получены математическая зависимость плотности черного щелока от температуры и содержания сухих веществ, необходимая для оперативных технологических расчетов отделов регенерации химикатов в сульфатном производстве волокнистых полуфабрикатов для картона, а также на основании проведенных исследований, регрессионного анализа и математической обработки результатов – уравнение математической зависимости, позволяющее с наибольшей точностью вычислить плотность черного щелока от сульфатной варки хвойной целлюлозы высокого выхода: ρ = 0,974 + 0,0071x – 0,0002t – 0,000007xt – 0,00000045t² – 0,0000045x². Проведена сравнительная апробация результатов разработанной математической зависимости и корреляционной зависимости (опубликованной в TAPPI) плотности черного щелока от содержания сухих веществ, обнаружен высокий уровень сопоставимости предложенных математических уравнений.

Сведения об авторах

Ю.В. Севастьянова¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: ABE-4746-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1806-9052
Е.А. Топтунов¹, инж. ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера»; ResearcherID: ABE-4069-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8441-788X
Н.В. Щербак¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: ABE-4156-2020,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7383-3826
П.В. Солнцев², начальник ТЭЦ-2 производства картона;
ResearcherID: ABE-4402-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5992-6981
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: y-sevastyanova@yandex.ru, zhenya.toptunow2011@yandex.ru, n.sisoeva@narfu.ru
²АО «Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат», ул. Мельникова, д. 1, г. Новодвинск, Архангельская область, Россия, 164900

Ключевые слова

сульфатная целлюлоза высокого выхода, регенерация химикатов, физические свойства черного щелока, содержание сухих веществ, плотность черного щелока, выпарка, математическая модель

Для цитирования

Севастьянова Ю.В., Топтунов Е.А., Щербак Н.В., Солнцев П.В. Определение математической зависимости плотности черного щелока от содержания сухих веществ (хвойная ЦВВ) // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 1. С. 192–200. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-192-200

Литература

1. Богомолов Б.Д., Сапотницкий С.А., Соколов О.М. и др. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 360 с. [Bogomolov B.D., Sapotnitskiy S.A., Sokolov O.M. et al. Processing of Sulphate and Sulphite Liquors. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1989. 360 p.].
2. Волков А.Д., Григорьев Г.П. Физические свойства щелоков целлюлозного производства. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Лесн. пром-сть, 1970. 120 с. [Volkov A.D., Grigor’yev G.P. Physical Properties of Pulp Production Liquors. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1970. 120 p.].
3. Горбовский Б.Г. Устройство и обслуживание выпарных станций сульфат-целлюлозного производства: пособие для мастеров и выпарщиков. М.; Л.: Гослесбумиздат, 1953. 189 с. [Gorbovskiy B.G. Design and Maintenance of Evaporation Stations of Sulphate Pulp Production. Moscow, Goslesbumizdat Publ., 1953. 189 p.].
4. ГОСТ 8.234–2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Меры вместимости стеклянные. Методика поверки. Дата введ. 2015–07–01. М.: Стандартинформ, 2014. 11 с. [State Standard. GOST 8.234–2013. State System for Ensuring the Uniformity of Measurements. Volumetric Glass Ware. Verification Procedure. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 11 p.].
5. Григорай О.Б., Иванов Ю.С., Комиссаренков А.А., Смолин А.С. Переработка черных щелоков сульфатного производства. СПб.: СПбГТУРП, 2012. 106 с. [Grigoray O.B., Ivanov Yu.S., Komissarenkov A.A., Smolin A.S. Processing of Black Liquors of Sulphate Production. Saint Petersburg, SPb STUPP Publ., 2012. 106 p.].
6. Гурьев А.В., Казаков Я.В., Комаров В.И., Хованский В.В. Практикум по технологии бумаги / под ред. проф. В.И. Комарова. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2001. 112 с. [Gur’yev A.V., Kazakov Ya.V., Komarov V.I., Khovanskiy V.V. Laboratory Course on Paper Technology. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2001. 112 p.].
7. Миловидова Л.А., Комарова Г.В. Производство сульфатной целлюлозы. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2001. 31 с. [Milovidova L.A., Komarova G.V. Production of Sulphate Pulp. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2001. 31 p.].
8. Миловидова Л.А., Севастьянова Ю.В., Комарова Г.В., Дубовый В.К. Регенерация химикатов в производстве сульфатной целлюлозы (каустизация и регенерация извести). Архангельск: САФУ, 2010. 157 с. [Milovidova L.A., Sevastyanova Yu.V., Komarova G.V., Dubovyy V.K. Recovery of Chemicals in the Production of Sulphate Pulp (Lime Caustization and Regeneration). Arkhangelsk, NArFU Publ., 2010. 157 p.].
9. Свидетельство № 411 о метрологической аттестации МВИ. Метод определения массовой доли сухих веществ в черном щелоке. ВНИИБ. Л., 1991. 4 с. [Certificate No. 411 on Metrological Certification of Measurement Procedures. Method for Determining the Mass Fraction of Solids in Black Liquor. All-Russian Scientific Research Institute of Pulp and Paper Industry, 1991. 4 p.].
10. Селянина Л.И., Селянина С.Б., Кутакова Н.А. Технология сульфатных щелоков. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. 37 с. [Selyanina L.I., Selyanina S.B., Kutakova N.A. Sulphate Liquor Technology. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2002. 37 p.].
11. Справочник бумажника: в 3 т. 2-е. изд. перераб. и доп. Т. 1. М.: Лесн. промсть, 1964. 841 с. [Handbook for Paper Industry Workers. In 3 vol. Vol. 1. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1964. 841 p.].
12. Элконин Н.В. Изучение свойств отработанных растворов производства целлюлозы сульфатным методом. М.: Бум. пром-сть, 1941. № 2. 21 с. [Elkonin N.V. Study of Properties of Spent Solutions of Pulp Production by Kraft Method. Moscow, Bumazhnaya promyshlennost’ Publ., 1941, no. 2. 21 p.].
13. Adams T. Sodium Salt Scaling in Black Liquor Evaporators and Concentrators. Tappi Journal, 2001, vol. 84(6), pp. 1–18.
14. Andreuccetti M.T., Leite B.S., Hallak d´Angelo J.V. Eucalyptus Black Liquor – Density, Viscosity, Solids and Sodium Sulfate Contents Revisited. O Papel, 2011, vol. 72, no. 12, pp. 52–57.
15. Bayuadri C., Verril C.L., Rousseau R.W. Stability of Sodium Sulfate Dicarbonate in Black Liquor Concentrators. TAPPI Engineering, Pulping and Environmental Conference Proceedings. TAPPI Press, 2006.
16. Bialik M.A., Theliander H., Sedin P., Verril C.L., DeMartini N. Solubility and Solid Phase Composition in Boiling-Temperature Na2CO3–Na2SO4 Solutions: A Modeling Approach. TAPPI Engineering, Pulping and Environmental Conference Proceedings. TAPPI Press, 2007, pp. 1471–1498.
17. Cardoso M., Oliveira E.D., Passos M.L.A. Kraft Black Liquor of Eucalyptus from Brazilian Mills. O Papel, 2006, vol. 67, no. 2, pp. 57–83.
18. Clay D.T. Evaporation Principles and Black Liquor Properties. TAPPI Kraft Recovery Short Course. TAPPI, 2011, pp. 3.1-1–3.1-6. Available at: https://www.tappi.org/content/events/08kros/manuscripts/3-1.pdf (accessed 18.03.20).
19. Holmlund K., Parviainen K. Evaporation of Black Liquor. Ch. 12. Chemical Pulping. Ed. by J. Gullichsen, C.-J. Fogelholm. Helsinki, Fapet Oy, 1999, pp. B37–B93.

Ссылка на английскую версию:

Determination of the Mathematical Dependence of the Black Liquor Density on the Dry Matter Content (High Yield Softwood Pulp)

DETERMINATION OF THE MATHEMATICAL DEPENDENCE OF THE BLACK LIQUOR DENSITY ON THE DRY MATTER CONTENT (HIGH YIELD SOFTWOOD PULP)

Yuliya V. Sevastyanova¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: ABE-4746-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1806-9052
Evgeniy А. Toptunov¹, Engineer of the Innovative Facilities Engineering and Innovation Center «Advanced Northern Bioresources Processing Technologies»; ResearcherID: ABE-4069-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8441-788X
Natalia V. Shcherbak¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.;
ResearcherID: ABE-4156-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7383-3826
Pavel V. Solntsev², Head of the CHPP-2 of Cardboard Production;
ResearcherID: ABE-4402-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5992-6981
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: y-sevastyanova@yandex.ru, zhenya.toptunow2011@yandex.ru, n.sisoeva@narfu.ru
²Arkhaneglsk Pulp and Paper Mill, ul. Mel’nikova, 1, Novodvinsk, Arkhangelsk region, 164900, Russian Federation

Abstract. A modern evaporator station is an energy-saving production of evaporated liquor with high dry matter content for ensuring the minimum SO₂ emissions from the soda recovery boiler. Such stations are equipped with Falling Film devices and consist of 5–7 stages. The necessity to improve and create new black liquor concentrators is driven by the increased attention to environmental issues and the wish to produce liquor with a higher calorific value. The physical properties of black liquor depend on its composition and have a significant impact on the selection and design of evaporators. The main properties considered in the evaporation and combustion processes are density, viscosity, surface tension, heating value and boiling temperature. One of the most important characteristics of the liquor evaporation is its viscosity, since it determines the ability of the liquor to pump and affects the design features. Another equally important characteristic is density. With its help, the dry matter content and evaporation process in the main stages of the liquor regeneration are regulated. The study was carried out to determine the mathematical dependence of the black liquor density on the dry matter content for high yield softwood pulp. The study objectives were the following: analyze the effect of the dry matter temperature and concentration on the density of black liquor obtained from cooking high yield softwood pulp according to the technological flow of production; develop a mathematical model of dependence of the black liquor density of high yield sulphate softwood pulp on the concentration and temperature; conduct the TAPPI comparative testing of the results of mathematical and correlation dependences. A mathematical dependence of the black liquor density on the temperature and dry matter content required for immediate technological calculations of chemical regeneration departments in sulphate production of semi-finished products for cardboard was obtained. The following equation of mathematical dependence based on the conducted research, regression analysis, and mathematical processing of the results was obtained: ρ = 0.974 + 0.0071x – 0.0002t – 0.000007xt – 0.00000045t² – 0.0000045x² (where ρ – density, g/cm³; x – dry matter content, %; t – temperature, °C). It allows calculating with the highest accuracy the density of black liquor obtained from cooking high yield softwood sulphate pulp. Comparative testing of the results of the developed mathematical dependence and correlation dependence (published by TAPPI) of black liquor density on the dry matter content was carried out. A high level of comparability of the proposed mathematical equations was found.
For citation: Sevastyanova Yu.V., Toptunov Е.А., Shcherbak N.V., Solntsev P.V. Determination of the Mathematical Dependence of the Black Liquor Density on the Dry Matter Content (High Yield Softwood Pulp). Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 1, pp. 192–200. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-192-200

Keywords: high yield sulphate pulp, chemical recovery, black liquor physical properties, dry matter content, black liquor density, evaporation, mathematical model.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
The authors declare that there is no conflict of interest

Поступила 18.03.20 / Received on March 18, 2020