年产三万吨粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺项目设计

北京化工大学毕业设计论文北京化工大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：“年产三万吨粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺”项目设计学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：学生：指导教师（含职称）：专业负责人：1．设计（论文）的主要任务及目标设计年产三万吨的棉短绒清洁制浆工艺流程，主要包括物料衡算、能量衡算、简单设备选型、复杂设备的尺寸确定和工艺流程图的绘制，主要集中在制药部分的详细的设计计算和工艺流程、平面布置图的绘制。2．设计（论文）的基本要求和内容（1）确定整个生产工艺的流程及操作条件，进行整个过程的物料衡算；（2）制药部分进行详细的物料、能量衡算，根据相关手册和经验，确定管径大小和设备的选型，绘制出设备的平面布置图和带控制点的工艺流程图；（3）制浆部分进行简要的物料衡算和设备尺寸的确定，绘制出简要的设备平面布置图和工艺流程图。3．主要参考文献[16][苏]A.T.谢尔柯夫.粘胶纤维[M].北京：纺织工业出版社，1985：2-4.[19]詹怀宇.纤维化学与物理[M].北京：科学出版社，2005：82-83，132-137，301-307.[24]陈嘉川，等.棉短绒低污染制浆工艺的研究[J].中国造纸，1999,（3）：41-46.[28]唐宏青.工艺包设计编写提纲探讨[J].化工设计，2001，11（6）：11-13.4．进度安排“年产三万吨粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺”项目设计摘要：年产三万吨粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺是在万吨级工业试验基础上进行设计的，该工艺设计具有连续、清洁、低温、高效、产品收率高，节能节水减排的特点，整个工艺流程利用技术集成和生态产业链的设计思维，解决了该行业制浆黑液难以治理的问题，实现了零排放的循环经济发展模式。本设计主要分为制药和制浆两个单元。制药单元完成了流程的设计，物料衡算和部分热量衡算，设备和管路的设计计算及选型，带控制点的工艺流程图及平面布置图的绘制；制浆单元完成了物料衡算，设备尺寸的确定，工艺流程图和平面布置图的绘制。本工艺流程的设计是对我所学的化工单元操作基本知识的应用和提升，使我对实际工艺流程设计中的优化选择和经济效益有了深刻的认识。关键词：棉短绒清洁制浆工艺设计零排放

AnProjectDesignon“AnnualOutputof30,000tonsofViscoseFiberCottonPulpCleaningProcess”Abstract:Thedesignonannualoutputof30,000tonsofviscosefibercottonpulpcleaningprocessisbasedonindustrialtestof10,000tonslevel,thedesignontheprocesshascontinuous,clean,lowtemperature,highefficiency,highyieldoftheproduct,energyandwaterconservationandwastereductioncharacteristics.Theentireprocesswithtechnologyintegrationandecologicalindustrychaincansolvethedifficultproblemofpulpingblackliquorgoverningandrealizezero-emissioncyclemodelofeconomicdevelopment.Thedesignisdividedintotwounitsofthepharmaceuticalsandpulp.Thepharmaceuticalunithascompletedtheprocessdesign,materialbalance,andsomeoftheheatbalancecalculationandselectionofequipmentandpipingdesign,thedrawingofprocessflowdiagramwithacontrolpointandthefloorplan;pulpunithascompletedthematerialbalance,determinationofthesizeofequipment,thedrawingofprocessflowdiagramandthefloorplan.Thedesignofthisprocesswiththeapplicationandupgradingofbasicknowledgeofthechemicalunitoperationsmakesmehaveadeepunderstandingoftheselectionandeconomicbenefitsoftheactualprocessdesignoptimization.Keywords:cottonlintercleanpulpingprocessdesignzero-emission目录第1章前言 1第2章文献综述 2第2.1节研究棉短绒清洁制浆工艺的意义 2第2.2节棉短绒制浆的原材料介绍 32.2.1棉短绒介绍 32.2.2氢氧化钾介绍 52.2.3过氧化氢介绍 7第2.3节产品棉绒浆介绍及应用 92.3.1粘胶纤维用棉浆粕的质量指标 92.3.2粘胶纤维的用途及性质 10第2.4节棉短绒制棉绒浆的反应原理 112.4.1纤维素的反应原理 112.4.2木素的反应原理 14第2.5节棉短绒制浆工艺的研究现状 162.5.1烧碱法制浆工艺 162.5.2氧碱法制浆工艺 162.5.3碱-过氧化氢法制浆工艺 172.5.4过氧化氢强化的氧碱法制浆工艺 172.5.5连续法制浆工艺 182.5.6棉短绒纸浆工艺的比较 18第3章粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺的设计 19第3.1节棉短绒清洁制浆工艺设计 19第3.2节制药机的原理及结构 20第3.3节制药工段的工艺流程设计 22第3.4节制浆工段的工艺流程设计 23第4章棉短绒制浆工艺计算 25第4.1节物料衡算 254.1.1原料平衡计算 254.1.2水的平衡计算 254.1.3蒸汽的平衡计算 254.1.4化学品的平衡计算 264.1.5物料平衡数据表 284.2标准设备计算及选型 294.2.1各种容器体积的计算及选择 294.2.2泵的选择 304.2.3风机的选择 314.2.4换热器的选择 31第5章主要设备的设计和计算 34第5.1节制药单元的设备设计和计算 345.1.1制药机的设计计算 345.1.2吸收塔的设计计算 34第5.2节制浆单元的主要设备设计和计算 365.2.1制浆单元设计计算 365.2.2原料准备阶段设备的介绍 365.2.2浸渍机的设计及计算 375.2.3催化反应器设计及计算 375.2.4移动料仓设计及计算 385.2.5连续管式反应器设计及计算 38第5.3节设备一览表 395.3.1制药单元的设备一览表 395.3.2制浆单元的设备一览表 41第5.4节管道系统 425.4.1管径选择 425.4.2管径表 42第5.5节自控仪表 45第6章操作规程 48第6.1节制药机的操作规程 486.1.1制药机的操作规程 486.1.2.仪表控制说明 50第6.2节标准设备简单操作规程 516.2.1泵的操作规程 516.2.2罗茨鼓风机的操作规程 526.2.3换热器的操作规程 53参考文献 56符号说明 58致谢 59附录 60RRF-290型罗茨鼓风机介绍 60板式换热器介绍 61第1章前言国家十二五规划明确指出要加快节能减排新技术、新装备的产业化研发和应用，推广棉浆粕黑液治理，加大对粘胶废水的治理和回收。目前，国内外的制浆工艺主要存在氧碱法、碱-过氧化氢法、过氧化氢强化的氧碱法和连续法制浆等低污染的制浆工艺，对于解决棉短绒制浆过程中存在的得率低、污染严重等问题取得了很大的进步，但仍存在制浆得率低，纤维降解严重，且污染严重，黑液色泽深，有机物浓度大，治理困难，治理费用较高等问题。因此，科技部在十二五期间，提出了天然纤维素清洁制浆集成技术产业化及示范的项目，本文主要是对该项目的初步设计，期望能够为整体项目提供参考。通过查阅各种文献，了解国内外的棉短绒制浆工艺，然后与本工艺进行对比，找到本工艺的创新点四个，用羟基自由基活性氧和碱液的混合溶液作为药剂，使液比减少为1~1.2；用KOH代替NaOH，黑液转化为钾肥，实现资源的充分利用；采用连续管式蒸煮器；浸渍机有带式输送代替螺旋输送。查阅粘胶纤维用棉浆粕的标准，提供评价本工艺产品是否能够合格的标准；查阅各种原料的介绍，提供原料的物化性质和质量指标，为使用者提供方便；查阅各种化工设计手册，设计标准和市面上的各种设备，为本工艺初步选择合适经济的设备；查阅各种工艺流程图设计标准和规范，提供细致准确的工艺流程图；通过经常向老师请教，了解实际生产中的应注意的各种问题，学习实际生产设计的各种经验数值和实际生产中的优化选择及经济效益。通过一个学期的查阅文献和设计标准手册，参观中试实验室和老师的各种指导，初步完成了年产三万吨的棉短绒清洁制浆的工艺包设计，即设计说明书的书写，工艺流程图，带控制点的工艺流程图，平面布置图的绘制。由于时间和能力的限制，本工艺包只是初步的设计，期望能够为天然纤维素的清洁制浆集成技术的产业化提供初步的参考。第2章文献综述第2.1节研究棉短绒清洁制浆工艺的意义纤维是形态学上的概念，是指一种长度与截面直径之比较大、具有一定柔性和强度的细长物体。按原料进行分类，纤维素通常可分为天然纤维（包含植物纤维和动物纤维）和化学纤维（包括人造纤维和合成纤维）。植物纤维素原料品种繁多，大体上可分为两类：木材纤维素原料（针叶木、阔叶木）和非木材纤维原料（竹类、禾草类、韧皮类、籽毛类等）。植物纤维是造纸工业的主要原料，许多植物纤维（如棉、麻类）也是纺织工业的重要原料，革制品工业也离不开植物纤维[1]。我国森林资源丰富，森林覆盖面积只有国土总面积的12%，人均占有森林的面积更少。世界总计纸浆产量中木浆占95%以上，而我国只占26.14%。商品浆更少，而且纸浆技术发展缓慢，难以满足国内需求。我国禾草类制浆在世界上占有重要的地位，但其纤维较短，不能满足一些高级纸张的要求。棉纤维在各种天然纤维素中，纤维素含量最高，纤维柔韧，细长，弹性好，强度好，抗稀酸、抗碱能力强[2]，为优良的纺织原料。各种棉渣、纱头、地弄花、棉短绒、破布等纺织行业下脚料与废弃物均可用于造纸行业，一般高档特种纸，如钞票纸、证券纸以及高档生活用纸等为达到特殊的要求，常用棉纤维为原料。我国是产棉大国，皮棉年产量最高达70600万吨，棉短绒也有几十万吨，是不可忽视的优质长纤维资源。但在1949年以前，棉籽基本上不剥绒，新中国成立后才开始仿制锯齿剥绒机，并逐步在全国各棉区推广使用，随着工业生产的发展与科学技术的进步，棉短绒的用途越来越广。几十年来我国化纤、造纸及纤维素衍生物等行业以及军工部门都建立了棉短绒制浆厂。据统计，2007年我国棉花产量约为760万吨[3]，因此，利用棉短绒制浆具有重要的意义，但是棉短绒的剥绒生产还存在生产工艺不完善，技术力量不足等问题[4]，致使后续的制浆过程必须有严格的除杂。国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》，引导企业采用先进的节能新工艺、新技术和新设备，提高能源利用效率，促进“十二五”期间节能减排目标的实现。目前国内棉短绒制浆采用传统的高温、高碱的蒸煮和含氯漂白工艺，制浆得率低，纤维降解严重，且污染严重，黑液色泽深，有机物浓度大，COD达5×104mg/L，pH高，治理困难，严重制约了我国棉短绒制浆的发展。因此，研究清洁制浆新工艺，解决污染问题，对我国棉短绒制浆业的发展，环境和水资源的保护具有重要意义。本文主要研究利用棉短绒制粘胶纤维用棉浆粕的生产清洁工艺，意在降低黑液浓度的情况下，实现资源的充分利用，并提高制浆得率和制得的棉浆粕的性能。第2.2节棉短绒制浆的原材料介绍2.2.1棉短绒介绍棉短绒是棉籽剥去皮棉后仍附着在棉籽上的短绒[5]。其平均长度在2~6mm。每吨棉籽可剥取棉短绒35~80kg。棉短绒是一种很纯粹的纤维素材料，α-纤维素含量高达95%，其他杂质含量较低（如表2·1），因此它的分离和精制较其他植物纤维容易，而且得率高，α-纤维素含量也高[6、7]。棉短绒是轻工业、军工业、化学工业、医药工业的重要物资[8]。表2·1棉短绒的化学组成组分组成未精制精制纤维素90~9198.5~98.6脂肪和蜡质0.5~1.00.1~0.2果胶和多缩戊糖1.91~1.2木质素3灰分1~1.50.18~0.3随着时代的发展，我国的棉短绒分级标准也进行了更新[9]，现在国家的新标准规定(GB/T20223-2006)，棉短绒类别按纤维长度分，有一类绒、二类绒、三类绒三种。一类绒是指纤维手扯长度在13mm及以上的棉短绒，一般为头道绒；二类绒是指纤维手扯长度在13mm以下，其中长3mm及以下的纤维质量占纤维总质量的58%及以下的棉短绒；三类绒是指纤维手扯长度在13mm以下，其中3mm及以下的纤维质量占纤维总质量的58%及以上的棉短绒，色泽呈白色、灰白色或棕色。棉短绒纤维粗短，成熟度比长纤维好，理化性能与细绒棉相同。棉短绒含有很多棉籽壳等杂质，需在进行反应前将其除去。而其中的棉籽壳也是一些工业中的原材料[10]，可以充分利用。按国家标准（GB/T20223-2006）规定，一类绒的等级依据等级条件，对照实物标准分为三级。各级实物标准为各级的最低限，对照时如低于上一级标准的应定为下一标准；低于三级标准的为级外。二、三类棉短绒根据成熟纤维百分率、硫酸不溶物、灰分、含铁量和含脂率中最低一项定级；低于三类的为级外。一类绒等级条件见表2·2。二、三类棉短绒等级条件见表2·3、表2·4。表2·2一类绒的等级标准项目色泽剥工质量一级乳白色，稍带有灰白或阴黄，稍有污染棉结、索丝较少二级色黄白或灰白，污染较多棉结、索丝较多三级黄白带灰暗，夹有糟片，污染较多棉结、索丝较多表2·3二类绒的等级标准二类绒一级二级三级成熟纤维百分率/(%)≥807050硫酸不溶物/(%)≤3.568.5灰分/(%)≤1.31.82.2含铁量/(mg/kg)≤250250250含脂量/(%)≤1.001.001.00表2·4三类绒的等级标准三类绒一级二级三级成熟纤维百分率/(%)≥807050硫酸不溶物/(%)≤5.07.09.0灰分/(%)≤1.622.4含铁量/(mg/kg)≤250250250含脂量/(%)≤1.001.001.00检验方法，一类绒用感官对照实物标准定级。二、三类绒用化学溶剂定级。包装用棉布或麻布，每包重量75kg~100kg；棉包密度为250kg/m3~400kg/m3，搬运存放必须保持清晰完整，防止混类、混级、混批。一般制造棉绒浆粕不用一道短绒，或很少用一道短绒，而用二道、三道短绒。由于棉短绒含有棉籽壳等碎片，故呈暗灰色[11]。棉短绒在国防工业中、造纸工业中、医药工业中、食品工业中、日用化妆品中、石油工业中、装潢工业中和影像工业及其他工业都有大量的应用[12]。2.2.2氢氧化钾介绍(1)性质氢氧化钾，化学式为KOH，分子量为56.1。白色斜方晶体，工业品为白色或淡灰色的块状或棒状。相对密度为2.044，熔点为360.4，沸点为1320~1324℃。易溶于水，水溶液呈强碱性，水中溶解度110g/100mL(25℃)，溶解时放出大量的热；也溶于乙醇，不溶于醚。属强碱，腐蚀性强，吸水性极强。吸收CO2逐渐变为K2CO3，其性质与烧碱相似，是基础化工原料之一。(2)质量指标国家标准GB/T-1919-2010如表2·5：表2·5氢氧化钾国家质量标准项目固体Ⅰ类固体Ⅱ类液体优等品一等品一等品合格品一等品合格品氢氧化钾（KOH）/%≥95.090.090.088.048.045.0碳酸钾（K2CO3）/%≤1.01.21.5氯化物（以Cl计）/%≤0.010.021.0铁（Fe）/%≤0.0010.0020.050.07--硫酸盐（以QUOTE计）/%≤0.050.05硝酸及亚硝酸盐（以N计）/%≤0.0010.002钠（Na）/%≤1.01.02.02.01.51.5氯酸钾(KClO3)/%≤0.1注：用户对硫酸盐和钠两项指标无要求时，可不控制。I类为离子膜法，Ⅱ类为隔膜法。化工行业标准HG/T3688-2000如表2·6：表2·6氢氧化钾的化工行业标准指标名称优等品一等品氢氧化钾（KOH）/%≥95.090.0碳酸钾（K2CO3）/%≤0.50.5氯化物（以Cl计）/%≤0.0050.005铁（Fe）/%≤0.00050.0005硫酸盐（以QUOTE计）/%≤0.0050.005硝酸及亚硝酸盐（以N计）/%≤0.00050.0005钠（Na）/%≤0.80.8磷酸盐（以PO4计）/%≤0.0050.005硅酸盐（SiO3）/%≤0.010.01铝（Al）/%≤0.0020.002钙（Ca）/%≤0.0050.005镍（Ni）/%≤0.00050.0005重金属（以Pb计）/%0.0020.002(3)用途在本工艺中，期望用KOH代替NaOH进行羟基自由基活性氧药剂的制备，这样产生的黑液进行一定处理后可以作为钾肥使用，使本工艺达到零排放，实现资源的充分利用。但考虑到KOH的价格较贵，因此，需要进一步进行验证。(4)安全性对组织有烧灼作用，可溶解蛋白，形成碱性变性蛋白。溶液或粉尘溅到皮肤上，尤其溅到黏膜，可产生软痂。溶解浓度越高，温度越高，作用越强。溅入眼内，不仅可损伤角膜，而且能使眼深部组织损伤。最高容许浓度为0.5mg/m3。工作时应防止触及皮肤和眼睛，如不慎触及时，可用流水洗涤受损部位，然后湿敷5%的醋酸、酒石酸、盐酸或柠檬酸溶液；如溅入眼内，应用流水或生理盐水仔细缓慢洗涤10~30分钟，然后点入2%的奴佛卡因或0.5%的地卡因溶液。操作时应穿由结实布制作的工作服，带橡胶手套、袖套、围裙，穿胶鞋等劳保用品，手上易涂敷中性和疏水软膏。固体块状产品用铁桶包装，桶上应有明显的“腐蚀性物品”标志。固体产品，每桶净重50kg、100kg或150kg。液体产品用槽车装运，每槽车装3.5t。固体片状氢氧化钾内包装采用聚乙烯塑料袋，中层用聚丙烯涂膜编织袋，外包装用聚丙烯塑料编织袋，每袋净重40kg；固体片状亦可用聚乙烯塑料袋内包装，外包装用全开口的铁桶包装，每桶净重50kg或100kg。属无机碱性腐蚀物品，危规编号：GB8.2类82002。UNNO.1813；IMDGCODE8214页，8.2类。易贮放在通风、干燥库房内，容器要密封。贮运过程中，应与酸类隔离，应防雨淋，勿曝露空气中，勿与酸、水等接触。远离易燃物品，以防止引起燃烧。失火时，宜用砂土扑救，防止用水直冲物品[13]。2.2.3过氧化氢介绍(1)性质结构式H2O2，是含有极性键和非极性键的极性分子，其结构式为H-O-O-H，分子量为34.016。纯H2O2是一种淡蓝色的黏稠液体，它的极性比H2O强，密度随温度变化正常，可以与水任意比例互溶，3%的H2O2水溶液在医药上成为双氧水，有消毒杀菌的作用。过氧化氢能以任意比例与水混合，其分子间因具有较强氢键，故在液态、固态中存在缔合分子而使之具有较高的熔点（272K）和沸点（423K），相对密度1.438（20/4℃），溶于水、醇、醚，不溶于石油醚。过氧化氢的化学性质有：=1\*GB3①弱酸性=2\*GB3②氧化性（还原产物为H2O，不会引入新的杂质）；=3\*GB3③还原性（氧化产物为O2）；=4\*GB3④不稳定性有资料显示，纯的过氧化氢相当稳定，H2O2的质量分数为90%的浓双氧水在500℃时每小时仅有0.001%的H2O2分解。光照、加热及一些重金属离子能加速它的分解。注：=1\*GB3①过氧化氢既有氧化性又有还原性，其中以氧化性为主。=2\*GB3②过氧化氢遇到氢氧化剂时显还原性，发生氧化反应。遇到强还原剂时，发生还原反应。=3\*GB3③过氧化氢在发生氧化反应或还原反应时，其本身都不给环境造成杂质。因此，过氧化氢是某些物质制备和除杂时较为理想的还原剂和氧化剂。(2)质量指标工业级过氧化氢标准表2·7工业级过氧化氢质量标准指标名称27.5%规格30%规格35%规格50%规格H2O2/%≥27.5303550游离酸（以H2SO4计）/%≤0.040.040.040.04不挥发物/%≥0.080.080.080.08稳定物/%≥97.097.097.097.0总碳（以C计）/%≤0.030.0250.0250.035硝酸盐（以NO3）计/%≤0.020.020.020.025国家标准GB1616-2003表2·8过氧化氢国家质量标准指标名称27.5%优等品27.5%合格品30%35%50%70%H2O2/%≥27.527.530355070游离酸（以H2SO4计）/%≤0.040.050.040.050.080.04不挥发物/%≥0.080.100.08稳定物/%≥97.090.097.097.093.097.0总碳（以C计）/%≤0.030.040.0250.0250.0350.05硝酸盐（以NO3）计/%≤0.020.020.020.020.0250.03(3)过氧化氢用途过氧化氢是重要的氧化剂、漂白剂。主要用于棉织物及其他织物漂白；纸浆的漂白及脱墨；有机和无机过氧化物的制造；有机合成和高分子合成；有毒废水的处理；食品行业中作漂白剂、氧化剂、淀粉变形剂、防腐剂以及纸塑无菌包装材料在包装前的杀菌和无菌灌装机生产线之用；电子行业中主要用作集成电路板上含金属部分表面的腐蚀和硅晶与集成电路的清洗。(4)安全性在有酸存在下较稳定，有腐蚀性、毒害性，10%以上浓度的过氧化氢接触皮肤，在表皮上发生白斑并伴有疼痛，高浓度过氧化氢能使有机物燃烧，与二氧化锰相互作用能引起爆炸。25%以上则引起疼痛和形成水泡而发生剧烈化学烧伤，进入眼中则引起剧烈疼痛，损伤角膜，严重时甚至失明，吸入260mg/m3浓度的过氧化氢蒸汽引起支气管炎，肺气肿甚至死亡，车间允许最高浓度为3mg/m3。工作接触时要穿防护衣，带聚乙烯或聚氯乙烯制的手套和聚合材料制的透明防护眼镜和面具。如触及皮肤或溅入眼睛用温水冲洗。双氧水属5.1类氧化剂，有强氧化性，虽本身不可燃，但分解时产生的氧气能强烈的助燃，与易燃物、有机物接触后会引起爆炸，撞击、摩擦和震动时有燃烧爆炸的危险。浓度大于40%的双氧水有腐蚀性。过氧化氢属于一级无机酸性腐蚀性物品。危规编号：91038。应贮存在阴凉、清洁、通风的库房中。本品不宜久贮，平时应加强检查，发现漏桶及时更换，如遇垫仓木冒烟，应立即将冒烟物搬出仓外，或用水浇。失火时，可用水、干砂或二氧化碳灭火器扑救。第2.3节产品棉绒浆介绍及应用2.3.1粘胶纤维用棉浆粕的质量指标棉短绒作原料生产出的棉浆粕按生产用途分为粘胶长丝用棉浆粕和粘胶短纤维用棉浆粕两大类，粘胶纤维用浆有严格的要求，粘胶长丝用棉浆粕的性能和指标值应符合表2·9规定，粘胶短纤维用棉浆粕的质量指标应符合表2·10规定。制浆过程中各种因素都会对浆粕的物理化学性能产生影响[14]，因此必须严格执行FZT51001-2009粘胶纤维用浆粕标准。表2·9粘胶长丝用棉浆粕性能项目和指标值项目一等品二等品三等品动力粘度/mPa·sM1±0.8M1±1.0M1±1.2甲种纤维素/%≧96.596.095.5灰分(725℃)/%≦0.070.090.12铁含量/(mg/kg)≦141823白度/%≧828180小尘埃(0.05mm3～3.0mm3，绝干量)/(mm3/kg)≦80120160大尘埃(>3.0mm3,绝干量)/(个/kg)≦0.71.42.1吸碱值/%550~700530~720500~750定量/(kg/m3)长网700±100圆网500±100注：M1由供需双方协商确定表2·10粘胶短纤维用棉浆粕质量指标项目一等品二等品三等品动力粘度/mPa·sM1±0.7M1±0.9M1±1.3甲种纤维素/%≧93.092.592.0灰分(725℃)/%≦0.10.120.15铁含量/(mg/kg)≦202530白度/%≧827978小尘埃(0.05mm3～3.0mm3，绝干量)/(mm3/kg)≦140180240大尘埃(>3.0mm3,绝干量)/(个/kg)≦1.51.82.5吸碱值/%500480450反应性能/s≦100250定量/(kg/m3)长网700±100圆网500±100注：M1由供需双方协商确定2.3.2粘胶纤维的用途及性质(1)粘胶纤维的性质随着粘胶纤维制造工艺的改进[15]，粘胶纤维的物理化学性能也在逐步提高，主要粘胶纤维的物理化学性能如表2·11：表2·11粘胶纤维性质物理化学性能粘胶短纤维粘胶长丝强度（克/旦）干2.5~3.11.7~1.3湿1.4~2.00.8~1.2干湿强力比（%）60~6545~55勾结强度（克/旦）1.2~1.83.0~4.1打结强度（克/旦）1.2~1.71.4~2.0伸长率（%）干16~2218~24湿21~2924~35伸长弹性度（伸长3%时，%）55～8060~80杨氏模数克/旦30～7065~85公斤/毫米2400～950850~1150比重1.50~1.52含水率（%）公定11.0标准状态20℃65%RH12.0~14.0其他状态20℃，20%RH:4.5~6.5；20℃，95%RH:25.0~30.0热的影响软化，不熔化。在260～300℃变色分解碱的影响在强碱中发生膨胀，强力下降，但在2%NaOH溶液中强力几乎不下降酸的影响在热稀酸、冷浓酸中强力下降且分解耐气候性（在室外）强力稍微降低其他化学药品的影响受强氧化剂腐蚀，但用次氯酸盐、过氧化物漂白无损伤溶剂的影响（一般溶剂系指乙醇、醚、苯、丙酮、汽油）在一般溶剂中不溶解；在铜氨溶液、铜乙二胺溶液中溶解一般所用染料直接、还原、盐基性、媒染、硫化、反应性染料，以及冰染料和涂料(2)粘胶纤维的用途粘胶短纤维在国外的常规纺织品方面的使用日益减少，而转向非织造织物领域，其中包括室内用布、装饰用布、医院及其他卫生机构用布、上衣服装的填料布，以及工业用布，在国内主要用于与棉或羊毛混纺，织成各种织物，用于内衣、外衣、桌布、窗帘等，部分作成毛线。粘胶长丝在国外主要用于服装夹里布，在国内主要用于服装夹里布、被面等各种绸缎[11]。第2.4节棉短绒制棉绒浆的反应原理2.4.1纤维素的反应原理(1)纤维素的化学结构纤维素本身是一种多糖，基本基环是D-葡萄糖，精确地说是失水-D-葡萄糖C6H10O5（葡萄糖残基），基环间以β-1,4-（半缩醛）联接的线状化合物，其结构式如下图[16]：图2·1纤维素的分子链结构式(2)纤维素的碱性降解在一般情况下，纤维素的配糖键对碱是稳定的。制浆过程中，随着蒸煮温度的升高和木素的脱除，纤维素会发生碱性降解。纤维素的碱性降解主要为碱性水解和剥皮反应。=1\*GB3①碱性水解纤维素的配糖键在高温的条件下，尤其是大部分木素已脱除的高温条件下，纤维素会发生碱性水解。与酸性水解一样，碱性水解使纤维素的部分配糖键断裂，产生新的还原性末端基，聚合度降低。纤维素碱性水解的程度与用碱量、蒸煮温度、蒸煮时间等相关，其中温度的影响最大。当温度较低时，碱性水解应甚微，温度越高，水解越强烈。=2\*GB3②剥皮反应剥皮反应是指在碱性条件下，纤维素具有还原性的末端基一个个掉下来使纤维素大分子逐步降解的过程。反应式如图2·2反应I反应Ⅱ图2·2纤维素的碱性降解反应反应I.剥皮反应反应Ⅱ.终止反应生成的异变糖酸有以下两种构型α-异变糖酸β-异变糖酸反应I的解释如下：（a）→（b）醛酮糖互变；（b）→（c）酮式变成烯醇式；（c）→（d）β-烷氧基消除反应，苷键断开，脱出了一个端基；（d）→（e）互变异构，形成二羰基衍生物；（e）→（f）异构化，形成异变糖酸（f）。这样，在单根纤维素分子链上大约要损失50个葡萄糖单元，直至纤维素末端转化成偏变糖酸基的稳定反应而终止反应，反应Ⅱ可以解释如下：（g）→（h）醛式变烯醇式；（h）→（i）脱去一分子水，形成C2和C3之间的烯醇式结构；（i）→（j）烯醇式变成酮式；（j）→(k)酮基与H2O加成，生成同碳二元醇后进行分子重排。（k）所形成的纤维素的末端基为偏变糖酸，它具有以下两种形式α-偏变糖酸末端基纤维素β-偏变糖酸末端基纤维素由于纤维素的末端基不存在醛基，不能再产生剥皮反应，降解因此而终止。剥皮反应的速率与终止反应速率是不同的，前者较后者大，因此，在碱法蒸煮时总是存在剥皮反应，其结果导致纤维素聚合度下降，浆粕得率低，故在蒸煮后期尤其注意不要过分延长时间以至制浆得率和强度下降。(3)纤维素的氧化降解纤维素葡萄糖基环的C2、C3、C6位的游离羟基以及C1位的还原性末端基易被空气、氧气、漂白剂等氧化剂所氧化，在分子链上引入醛基、酮基或羧基，使功能基改变。氧化剂与纤维素作用的产物成为氧化纤维素。氧化纤维素的结构与性质和原来的纤维素不同，随使用的氧化剂的种类和条件而定。在大多数情况下，随着羟基的被氧化，纤维素的聚合度下降。纤维素的氧化方式有两种：选择性氧化和非选择性氧化。氧化纤维素按所含基团分为还原型氧化纤维素（以醛基为主）和酸型氧化纤维素（以羧基为主），其共有的性质是：氧的含量增加，聚合度和强度降低。这两种氧化纤维素的主要差别在于酸型氧化纤维素具有离子交换性质，而还原型氧化纤维素对碱不稳定。2.4.2木素的反应原理(1)木素的化学结构木素作为植物体内普遍的一类高聚物，是支撑植物生长的主要物质，其同纤维素和半纤维素一起构成纤维素纤维。其与以半纤维素为主的碳水化合物生成木素-碳水化合物综合体存在于植物细胞壁中，给造纸工业的制浆和漂白带来很大的难度。因此，为使生产出的棉浆粕满足质量指标，必须除去棉短绒所含的木质素[17、18]。为此，人们进行了大量的研究以探求木素在植物生长过程中的形成机理及其与碳水化合物的结合情况。到目前为止，大多数研究者认为木素主要是由愈疮木基型、紫丁香基型和对羟苯基型结构单元（如图2·3）聚合而成的高分子化合物。图2·3木素结构单元木素结构的主要链接方式有：缩合型和非缩合型、β-O-4连接单元、β-5连接、β-1连接单元、联苯结构、4-O-5连接单元、β-β连接单元、β-6连接单元和β-2单元和其他连接方式。(2)木素在碱液中的反应在高温条件下，植物原料中的木素与氢氧化钠水溶液反应，木素中的多种醚键受亲核试剂OH—的作用而发生水解降解，主要反应包括：酚型α-芳基醚结构基团的反应、酚型α-烷基醚结构基团的反应、β-芳基醚结构的反应、甲基芳基醚结构的反应，添加蒽醌时的反应等等。简单概括来说，植物纤维原料在蒸煮过程中，木素与碱反应包括：=1\*GB3①通过木素大分子中酚型α-芳基醚键的断裂，酚型α-烷基醚键的断裂，非酚型结构基团在α-碳原子上连有-OH基的β-芳基醚键的断裂和苯环上芳基甲基醚键的断裂，导致新的酚羟基的生成。由于酚羟基具有弱酸性，对氢氧化钾具有亲和力，实际上是增加了木素的亲液基团，并能使反应继续下去。=2\*GB3②上述4种醚键断裂的同时，还伴随着脱芳基、脱烷基、脱甲醛等反应，使木素分子逐步降解而溶出，其中以非酚型结构的β-芳基醚键的断裂的脱芳基反应为引起木素降解的主要反应。但此反应只是在α-位有醇羟基的情况下才出现。=3\*GB3③当有蒽醌存在时，蒽醌促进了β-芳基醚键的断裂，加速了木素的溶出，同时保护了碳水化合物。(3)木素与过氧化氢的反应过氧化氢是优良的漂白剂之一，其在溶液中的离解反应为增加pH，则HOO-增加，漂白能力增加，所以，通常过氧化氢是在碱性条件下进行。过氧化氢的漂白作用靠H2O2离解产生的HOO-使浆液的发色基团脱色。过氧化氢与木素的反应概括为以下三个方面：木素结构单元苯环的反应、木素结构单元苯环的反应和木素结构单元苯环和侧链同时碎解的反应。木素和过氧化氢的反应，过氧化氢主要消耗在醌型结构的氧化和木素酚型结构的苯环及含有羰基和具有α-、β-烯醛结构的侧链的氧化上。其反应结果，使侧链断开并导致芳香环氧化破裂，最后形成一系列的二元羧酸和芳香酸。同时，苯核上还发生脱甲基反应。反应过程中，木素中一些带色的基团如对醌、邻醌和侧链的共轭双键等被氧化断裂而成为无色基团，从而使浆液漂白。(4)木素与氧的反应分子氧作为漂白剂，主要是利用分子氧的两个未成对的电子对有机物具有强烈的反应倾向，从而发生游离基反应。分子氧与木素的反应，实际上都属于游离基反应，在碱性介质中分子氧引起对酚型和烯醇式木素结构单元的自动氧化所形成的负离子的亲电攻击。在氧漂白中，木素结构的自偶氧化反应生成HOO-，作为一种亲核试剂，可以被加成到羰基和共轭羰基结构上[19]。第2.5节棉短绒制浆工艺的研究现状近几年，国内外对棉短绒制浆工艺进行了改进，棉绒浆的性能有了很大的提高[20]。制浆工艺主要出现了氧碱法、碱-过氧化氢法、过氧化氢强化的氧碱法和连续法制浆等低污染的制浆工艺，对于解决棉短绒制浆过程中存在的得率低、污染严重等问题取得了很大的进步。下面将介绍近几年来棉短绒制浆工艺取得的进步。2.5.1烧碱法制浆工艺棉短绒在蒸煮前要进行原料的净化，原料首先进行除皮、除尘等使含杂率低于3%。然后用碱液进行浸渍，滤去过量的碱液，再装入蒸煮器中进行蒸煮。典型棉短绒烧碱法制浆工艺条件如下：用碱量%（质量分数，下同）10~15液比3:1~6:1蒸煮温度℃140~170蒸煮时间h2~5采用传统的高温、高碱和较长时间保温的蒸煮方法虽然能够达到粘胶纤维用棉浆粕的质量指标，但纤维的损失和降解严重，是棉浆的得率低，由于果胶与碱反应生成的物质会吸附在纤维表面，使浆的白度降低。同时，传统的制浆工艺污染严重，黑液有机物浓度大，CODCr超过5×104mg/L，pH高达13以上，色泽深，难以治理回收。2.5.2氧碱法制浆工艺与木片和草片相比，棉短绒的结构疏松，有利于氧气的扩散和渗透，且氧气容易制得，价格便宜，因此棉短绒制浆适合用氧碱法的工艺。氧碱法制浆工艺的参数如下：用碱量%5.0~15.0液比4:1蒸煮温度℃120~150蒸煮时间min120~180氧气压力MPa0.5~0.6在碱性条件下，氧气会对纤维发生强降解作用，因此，要加入氢氧化钠和碳酸镁作保护剂，取得了很好的效果。与传统的烧碱法相比，氧碱法在得率、白度和聚合度方面都有了很大的提高，尤其白度达到了76.3%，无需用氯漂白。污染程度也有很大的降低，COD和BOD都降低了50%左右，pH也有了很大的降低。氧碱法是一种低污染的棉短绒制浆工艺[21]。2.5.3碱-过氧化氢法制浆工艺20世纪80年代，保定钞票厂首家引进棉短绒碱-过氧化氢法制浆技术和相关设备。其工艺条件如下：用碱量%2~6过氧化氢用量%1~4液比5:1最高温度℃92~120助剂%0.5~4.0（NaSiO3、MgSO4、EDTA）碱-过氧化氢法制浆工艺，得到的黑液中CODCr含量为1.5×104~3.0×104mg/L，有机物含量明显减少，pH值9.5~12，黑液为棕黄色，容易治理，产生的棉浆白度高，后续可采用过氧化氢漂白，避免了用含氯物质漂白产生二噁英等致癌物[22]。添加各种添加剂对棉短绒NaOH-H2O2法制浆效果较好，白度和得率都有显著提高，均匀度也较好，这些添加剂有Na2SiO3、MgSO4、EDTA、CaCl2等[23]；棉短绒碱-过氧化氢制浆与碱法制浆高温蒸煮比较：纸浆得率提高10%以上，白度增加近20度，蒸煮温度低，可节省蒸汽，棉浆的柔软性好，耐折度高，而且废水中化学需氧量减少80%[24]。2.5.4过氧化氢强化的氧碱法制浆工艺氧碱法和碱-过氧化氢法制浆工艺，所产生的污染少，且能够值得满足质量标准的棉浆粕，但也存在一些问题。氧碱法中氧气的溶解性差，致使蒸煮不均匀，影响浆粕质量；碱-过氧化氢法中过氧化氢容易受到杂质和反应条件的影响而分解，因此对原料和反应条件要求比较严格。综合这两种方法的优缺点，研究出了过氧化氢强化的氧碱法制浆工艺[25]。工艺条件如下：用碱量%8~12过氧化氢用量%1~2氧气压力MPa0.5最高温度℃120保温时间min60~120助剂%0.5（NaSiO3、MgSO4、EDTA）过氧化氢强化的氧碱法制浆工艺中主要影响因素是H2O2用量、NaOH用量[26]。过氧化氢强化的氧碱法制浆工艺，综合了氧碱法和碱-过氧化氢工艺的优点，黑液有机物含量低，便于治理，浆粕的得率、白度和各项指标也有很大的提高，而且避免了上述两种方法的不足，是棉短绒制浆工艺取得的很大的进步。2.5.5连续法制浆工艺近几年，我国在连续蒸煮漂白工艺上取得了一些成就，经Bivis处理所得的棉浆粕的质量能够达到标准要求，提高了产量，降低了能耗，且减少了污染[27]，是清洁制浆工艺的发展趋势。2.5.6棉短绒纸浆工艺的比较上述清洁制浆工艺都是在传统的烧碱法工艺的基础上进行的改进，与烧碱法相比，制得的棉浆粕得率、白度和强度等质量指标都有很大的提高；蒸煮温度降低，减少了过程所用能耗，减少了制浆过程中的污染，降低了黑液中的有机物含量，并且降低了黑液治理的难度；但制浆工艺为间歇操作，存在棉浆粕质量不均匀，液比较大，高温和反应时间较长；产生大量黑液，且黑液的COD较高；次氯酸钠漂白，产生高致癌物二噁英。因此，我们设计了一种清洁制浆工艺，期望能够解决制浆过程污染严重和能耗大的问题。年产三万吨的清洁制浆工艺流程设计，需要对该流程的各环节的安全、投资、环保等综合考虑[28]，再细致工艺流程所需的设备、管路、仪表控制、配件和材料，都需要我们计算、选择和设计，各种设备的布局安排需要我们自己处理，经过该工艺流程产生的棉绒浆，还必须经过各种检测[29]，达到我们制备棉浆粕的标准，这整个过程的每处细节都将是对我们的一项重大的考验。第3章粘胶纤维用棉浆粕清洁工艺的设计第3.1节棉短绒清洁制浆工艺设计针对传统工艺存在的各种问题，我们经过理论分析和实验验证，确定了一种新的工艺流程。图3·1制浆单元的工艺流程本清洁制浆工艺流程与传统的工艺流程相比，在产品性能、能耗、污染、资源利用等各方面都有很大的改进。主要创新点有四个：(1)减少液比，降低了能耗。考虑过氧化氢在制浆过程中所起的重要的氧化及漂白作用，但费用较高的因素，我们的新工艺将自己设计电化学设备，利用电化学方法，生产羟基自由基活性氧与碱液的混合药液，既降低了过氧化氢原料的成本，又提高了药液中的药剂电势，在达到产品质量指标的前提下，液比减少为1~1.2，大大减少了蒸煮液体量，降低了该过程的能耗。(2)采用连续蒸煮工艺，提高棉浆粕的性能。传统棉浆粕生产过程均采用间歇的蒸煮工艺，出口物料是具有不同停留时间的混合物。由于药剂与原料混合不均匀，原料在蒸煮器中的停留时间不同和原料加热的先后顺序不同，造成了生产的产品分子量分布较宽，质量不均匀。针对上述间歇操作带来的产品分子量分布较宽的问题，我们考虑采取平推流的模型，即连续管式蒸煮反应器，这样，物料在管内所受的温度和停留时间在理论上均完全相同（实际操作中存在很小部分的返混问题），就解决了产品分子量分布较宽的问题，实现了性能的均匀性。(3)黑液得到充分利用，实现了零排放的循环经济模式。老工艺由于液比较大和工艺不成熟等原因，产生的黑液量非常大，有机物浓度也较高，很难治理，而且治理费用对于生产企业有时大到难以承受。为了解决这个问题，降低环境污染，提高资源的有效利用率，我们设想将碱液由KOH代替NaOH，黑液经过多效蒸发浓缩后，可以作为钾肥利用，提高了资源的利用率，并且洗浆用水经过处理后回用，实现了零排放的循环经济生产模式。(4)浸渍器采用带式输送。老工艺均采用螺旋输送机或者高效螺旋压榨浸渍机，输送湿料的电耗非常大，而且浸渍速率比较慢。浸渍器的作用主要是使原料与药剂充分混匀，及药剂要充分的浸渍到原料中。为了提高浸渍速率，根据速率=推动力/阻力，我们采用挤压的方式提高推动力，在药剂中加入表面活性剂减少阻力，从而提高了浸渍速率。带式浸渍器是湿料夹在两个传送带间输送，并经过两个滚轮的挤压和输送过程中的震荡，大大提高了浸渍速率，并且带式输送与螺旋输送相比，电耗降低了90%以上。通过上面四处的主要创新点的改进，新工艺的液比从3~5降低到1~1.2，蒸煮温度从165℃~170℃降低到120℃~140℃，蒸煮时间从7h~8h减少到1.5h，难以治理且量很大的黑液变为可以利用的钾肥。年产三万吨的清洁制浆工艺流程的设计，期望能够解决现有工艺存在的黑液量大，有机物浓度高，难以治理；温度高，棉浆粕质量不均匀，能耗高等各种问题，为我国天然纤维素的清洁制浆集成技术产业化起到示范和带动的作用。第3.2节制药机的原理及结构1.制药部分的反应原理生产装置的核心部分是一个电催化膜反应器（如图3·2），它是利用国际上燃料电池的前沿技术制备高效电催化膜电极，该反应器集反应与分离为一体，工艺简单，自动连锁保护，安全可靠，反应条件温和，产物浓度在一定范围内可控，对环境友好，生产过程无三废排放，属于原子经济反应。阳极和阴极反应如下：阳极：2OH－H2O+1/2O2+2e阴极：H2O+O2+2eHO2－+OH－总反应：OH－+1/2O2HO2－图3·2电催化膜反应器简图反应器本身是一个电解池，在电场作用，Na＋从一个固定负电荷向下一个负电荷迁移，以这种方式透过离子膜从电解槽的阳极室进入阴极室。阴极中氧在电场和催化剂作用下还原成羟基自由基活性氧（活性氧,以下同）水溶液，同时生成OH－离子，得到产物为碱性的活性氧水溶液。阳离子交换膜是反应器的核心部件之一，其特征是对OH－具有排斥作用，使之不能通过交换膜到达阴极反应区。该化学过程阴极所产生的羟基自由基活性氧和碱液的混合液即为浸渍棉短绒的药剂，阳极产生的氧气也会回收利用在后续的蒸煮器中。2.药机的结构为了节省空间和极板材料，每个极板的两侧分别为阴阳极，每台制药机包括17对电极；为了工业化方便管路布置和维修等，我们将12台制药机作为一个单元。电极板为具有较大反应面积的低碳波纹不锈钢板材制作，提高了反应区气液湍流程度，增加了有效碰撞，有利于反应进行。采用串联电路，一块电极板既作阴极板又作为阳极板，节省了设备造价。阴极室采用多孔碳素材料作骨架，该材料经过特殊处理。经过上述处理的材料，有效提高了电导率，增加了导电性能，有利于降低装置的电阻，提高了电流密度。阳离子交换膜是反应器的核心部件之一，其特征是只允许K+、Na+通过，而对OH—具有排斥作用，使之不能通过离子膜到达阴极反应区，使反应向生成过氧化物方向进行，有效的抑制副反应，从而提高系统的选择性，提高转化率。第3.3节制药工段的工艺流程设计活性氧消毒剂的工艺流程由电催化膜反应器和供水、供电、碱循环、产物回收系统和供电系统组成，如图3·3所示。1－风机；2－空气缓冲罐；3－碱吸收塔；4－水吸收塔；5－发生器；7－软水柱；8－软水罐；9－水泵；10－碱液罐；11－碱泵；6，12－冷却器；13－产物罐图3·3制药单元的工艺流程示意简图空气经过除尘器X-0102进入罗茨鼓风机C-0101，然后进入空气缓冲罐V-0103，缓冲罐上设有放空阀，保持缓冲罐压力恒定，有利于对制药机进气量的控制；从缓冲罐出来的空气进入碱吸收塔T-0102，吸收空气中的二氧化碳，防止在制药机中与碱液进行反应，然后进入水吸收塔T-0101，吸收从碱吸收塔带入的碱液和其他杂质，然后进入制药机空气的干管，支管，再分配管，阳极空气管，进入制药机阳极参与反应。水经过软水柱X-0101A/B进行软化处理，然后一部分直接进入软水罐V-0102A/B，通过软水罐中设计压力传感器控制截止阀，来控制进入软水罐的水量，从而保证水罐中的液面在一定范围之内。另一部分进入配药罐，与药剂混合，流入软水罐V-0102A/B。从软水罐出来的水用泵P-0101A/B将其打入三层的制药机干管中，制药机干管设置压力传感器，控制泵的点击转动频率，从而控制泵输送的流量来保证进入每台制药机的水量恒定。软水柱中的水（开车时）或者稀碱（正常操作时）在碱配药罐V-0110中对固体碱进行溶解形成浓碱，然后经过过滤器A，过滤掉固体不溶杂质，进入碱罐V-0104A/B，与制药机阴极循环的碱液混合，配置成20%的稀碱液，碱罐中的水经碱泵P-0102A/B，过滤器B进入碱换热器E-0101，将碱液降低到35℃左右，进入碱干管，碱干管同样安装压力传感器，控制碱泵电机的频率，来控制泵输送的液体量，从而保证进入每台制药机的碱量恒定。从制药机阴极出来的是碱液和氮气，经过气液分离器X-0103，将氮气放空，碱液循环利用；制药机阳极出来的是产品和氧气，经过气液分离器X-0104，氧气进入连续管式蒸煮器，产品经过换热器E-0102，温度降低到25℃左右，进入产品罐V-0105A/B，通过高度差输送到浸渍机，与原料进行反应。第3.4节制浆工段的工艺流程设计制浆部分包括除杂、浸渍、催化、蒸煮、漂白和干燥部分，由于漂白和洗浆、干燥等是较成熟的技术，因此，我们本工艺流程主要着重于前面的除杂、浸渍、催化和蒸煮部分的工艺改进。清洁制浆工艺流程见图如下：图3·4制浆单元工艺流程见图棉短绒原料经开包在开棉机中充分打散，经风送至三级旋风分离器（带纵向侧缝除杂口），脱除掉比短绒重的棉籽壳，净化后的短绒由风机抽送进入凝棉器，进一步除尘，而棉短绒落入喂棉器中，经匀棉辊制成棉被，进入双夹带浸渍器，棉被全部被一次药剂（碱性的自由基活性氧药剂）浸没，经过多次反复的挤压、振荡，使棉绒完全浸透，沉降在药液池的底部短绒中极少的沙子和杂质被进一步除掉，药液循环使用，在离开浸渍机时，用压辊挤压脱余液，使液比为1.0~1.2。浸渍后的短绒送入到带式催化反应器，在该反应器中保持60℃并停留5~6分钟时间。然后物料进入二次浸渍器，经过二次药剂喷淋，多次挤压、振荡，使物料被二次药剂完全浸透。进入二次催化反应器，保持60℃，停留5~6分钟。然后物料整体进入移动料仓（即滞留反应器），在料仓中滞留保温50分钟。然后进入连续管式蒸煮器，在蒸煮器中，通入氧气，保持氧气分压0.2mPa，加热温升至120~140℃，在该反应器中停留1.5小时，将出料挤压脱水，洗涤再挤压脱水，液体收集后作为肥料使用。蒸后的浆经洗涤后，送入漂白、酸洗、水洗，气流干燥后打包得到成品精制棉。

第4章棉短绒制浆工艺计算第4.1节物料衡算4.1.1原料平衡计算(1)产品年产量为30000吨，年生产天数为300天，产率为0.8；每天生产的产品量：每小时的产品量：(2)原料棉短绒的消耗量产率为80%；棉短绒的每年消耗量：棉短绒每天消耗量：棉短绒每小时消耗量：4.1.2水的平衡计算水量按所需原料量的1.5倍，水的密度按1000kg/m3；每年耗水量：每天耗水量：每小时的耗水量：水的流量：4.1.3蒸汽的平衡计算经过实验测定，1吨浆产生3吨的黑液中K的含量为1.5%~2.0%，经过多效蒸发器将碱的含量浓缩为8%~12%。每年产浆量：30000t产生黑液：则需要蒸发的水量：每天蒸发的水量：每天产生的液体钾肥量：理论上一吨蒸汽蒸发一吨水，若效率为80%，则每天消耗蒸汽量：内地蒸汽的价格为250元/吨则蒸汽每天投资额：固体钾（含量为97%），价格为9000元/吨每天固体钾的消耗量：27.84t/d则每天固体钾的投资额：假若我们希望产生的钾肥能够平衡固体碱和蒸汽的投资，则每天产生的钾肥所卖的总额等于固体碱和蒸汽的投资额之和。每天钾肥销售总额：则每吨钾肥的价格：即产生的钾肥的参考价格为7500元/吨。4.1.4化学品的平衡计算(1)碱的平衡计算液比取1.2，经过测量产生的药中KOH的质量含量为0.09；每年产生的药剂量：每天产生的药剂量：每小时产生的药剂量：每年产生的纯碱量：每天产生纯碱量：每小时产生的纯碱量：根据方程式阳极：2OH－H2O+1/2O2+2e阴极：H2O+O2+2eHO2－+OH－消耗的纯碱量是产生的纯碱量的2倍，则每年消耗的纯碱量：每天消耗的纯碱量为：则每天消耗97%的固碱的量：每袋固碱的质量为50kg，则每天消耗的固碱袋数：图4·1制药单元碱液循环示意图碱的循环量按消耗量的10倍计算，碱的平均密度为1.1566g/cm3;每小时纯碱的消耗量：每小时纯碱的循环量：按平均浓度为15%计算，那么循环的碱液量：碱的流量：(2)氧气的平衡计算氧气的消耗量按生成的碱量计算，氧气的转化率按25%计，气体压力按0.065Mpa计算，温度按20℃计算；每天发生反应的纯氧的量：每天消耗的纯氧的量：每小时消耗的纯氧的量：在压力为101.325+65=166.325Kpa温度为20℃时的氧气体积空气中氧气的含量为21%，则空气的体积(3)过氧化氢的消耗量过氧化氢与稳定剂配置的为二次药剂，二次药剂的作用就是增加过氧化氢浓度，提高浆液的白度等各种指标，二次药剂的液比按为0.5计算，过氧化氢浓度为5%计算，密度按纯水的计算；则二次药剂的年消耗量为：每天消耗量：每小时的消耗量：年消耗纯过氧化氢的量：每天消耗纯过氧化氢的量：每小时消耗的纯过氧化氢的量：若每班加一次过氧化氢于配药罐，且加药时间为1小时，则每小时从过氧化氢罐打入配药罐的量为：工业级的过氧化氢的浓度为27.5%；则过氧化氢的流量：4.1.5物料平衡数据表(1)整个工艺流程的物料消耗量数据表如表4·1表4·1各种物料的消耗量项目单位年消耗量备注棉短绒t37500原料水t56250软化水，整个工艺流程所用水总和碱液t54000浓度为10%~20%，作为活性氧制备的反应物碱液t479.32浓度为10%，作为碱吸收塔的吸收剂固碱t8350.597%的固体碱空气m32812.96压力为166.325kPa，温度为20℃蒸汽t95625蒸发黑液中的水(2)换热单元的物流热量明细表表4·2表4·2换热单元物流热量明细表单元名称物流序号物流名称温度压力组成%密度质量流量体积流量焓熵热流量

(以0℃为基准)℃kPaH2O2碱液水kg/m3kg/hm3/hkJ/kgkJ/(kg·℃)kJ/h碱换热器1入口碱液40166010-2080-901150.07500065.221680.5741.26E+072出口碱液30156010-2080-901152.97500065.051260.4389.45E+063入冷却水2011100100998.26750067.62840.2975.67E+064出冷却水3010100100995.656750067.791260.4388.51E+06产品换热器5入口产品4016639881002.462506.241680.57410500006出口产品2515639881006.762506.211050.3696.56E+057入冷却水2011100100998.284508.47840.2977.10E+058出冷却水3010100100995.6584508.491260.4381.06E+064.2标准设备计算及选型4.2.1各种容器体积的计算及选择(1)水罐体积计算及选择按每天加水9次（即每班加水3次），富裕度为1.2计算，水的密度按1000kg/m3；每次需要加水量：每班需要加水的体积：所需水罐的体积：选择水罐30m3，为圆形立式全塑容器，采用优质的高分子材料和先进的工艺技术，加工的一次成型聚乙烯全塑容器，具有整体一次成型、无焊接、耐腐蚀性强、内外光滑、卫生无毒、价格低廉、寿命长、耐碰撞、韧性好等特点。外形尺寸为直径3050mm，直面高4430mm，曲面高325mm。(2)碱罐体积计算及选择按每天补加碱9次（即每班补碱3次），配好的碱为20%(密度为1.2088g/cm3)，到10%(密度为1.1044g/cm3)时更换碱罐，根据经验得，碱罐中液体的体积不变；每罐纯碱的消耗量：所需碱罐的体积：可选择碱罐的体积为30m3（同水罐）。(3)空气缓冲罐体积计算及选择根据空气流量选择空气缓冲罐，则缓冲罐的体积：可以选择体积为80m3的不锈钢材料的空气缓冲罐。4.2.2泵的选择(1)水泵的选择水的流量为7.81m3/h，选泵按正常流量的1.1~1.15倍考虑，则所需流量应为：，制药机放在三层，则水位高度差至少为15m，粗略估算各种管件的局部阻力损失和直管的沿程阻力损失的当量长度为12m，则水泵的扬程至少为27m，扬程按1.05~1.1倍选择，则所需的扬程为，由于输送的为软水，即清水，可以采用清水泵，可以选择IS50-32-200，转速为2900r/min，流量为12.5m3/h，扬程为32m，效率为54%，轴功率为2.02kW，电机功率为3kW，必须汽蚀余量3m，质量（泵/底座）50/46kg。(2)碱泵的选择碱的流量为64.85m3/h，选泵按正常流量的1.1~1.15倍考虑，则所需流量应为：，同样的，碱位的高度差也至少为15m，而粗略估计各种管件的局部阻力损失和直管的沿程阻力损失的当量长度为18m，则碱泵的扬程至少为33m，扬程按1.05~1.1倍选择，则所需的扬程为，由于输送的为碱液，则应选择抗腐蚀性泵，可选择F100-37，流量为100.8m3/h，总扬程为36.5m，转速2960r/min，电动机功率22kW，允许吸上真空高度4m，叶轮直径180mm。(3)双氧水泵的选择过氧化氢的流量为0.473m3/h，选泵按正常流量的1.1~1.15倍考虑，则所需流量应为：，同样的，过氧化氢的高度差也至少为15m，而粗略估计各种管件的局部阻力损失和直管的沿程阻力损失的当量长度为15m，则碱泵的扬程至少为30m，扬程按1.05~1.1倍选择，则所需的扬程为，。由于输送的为过氧化氢，有强氧化性，因此，需要选择抗腐蚀性泵，可选择F40-40，流量为7.2m3/h，总扬程为39.5m，转速2960r/min，电动机功率4kW，允许吸上真空高度6m，叶轮直径180mm。4.2.3风机的选择标准状况时，氧气的体积风机的压力按0.065MPa选择，经过考虑，选择RRF-290W型罗茨鼓风机，选择转速为730r/min，理论流量115.3m3/min，压力为68.6kPa，实际流量89.9m3/min，轴功率141kW，配套电机型号Y355M2-8，功率160kW，机组最大重量4760kg。4.2.4换热器的选择(1)碱换热器的选择由于反应为放热反应，所以反应器内溶液的温度会不断升高，但温度超过40℃会影响反应的正常进行，同时温度升高增加碱液对反应器的腐蚀，而且会使生成的活性氧分解，因此，需要对循环碱液进行换热，控制反应温度在40℃以下。板式换热器是一种新型的换热设备。具有结构紧凑、占地面积小，传热效率高和操作方便等优点，并有处理微小温差的能力，根据经验常识等综合考虑，我们决定用板式换热器。图4·2板式换热器示意图碱液进出口温度为T1=40℃，T2=30℃；循环冷却水的进出口温度为t1=20℃，t2=30℃。水的比热Cp=4.2×103J/(kg·℃)，由于碱液的浓度为10%~20%，浓度较小且碱的比热小于水，比热可以按水的计算。热量损失按10%计。碱液的流量：碱放出的热量：水吸收的热量：水的流量：考虑流量波动20%，则换热器允许最小流量为因为温差相同，所以对数平均温度即为平均温度：则初步选择BR-40型板式换热器取传热系数K=3200W/(m2·K)则传热面积为由此，可以选择板式换热器BR-40型（锡惠化工公司）所需传热面积为27.34m2，考虑到25%的富余度，选择传热面积为40m2，则安装长度为1050mm。(2)产品换热器的选择由于产品药剂主要是含碱和羟基自由基活性氧，而羟基自由基活性氧在高温下容易分解，为了降低羟基自由基活性氧的分解，提高药剂浓度，我们增设一个产品换热器，以其把产品从40℃降到25℃，亦采用板式换热器。产品进出口温度为T3=40℃，T4=25℃；循环冷却水的进出口温度为t3=20℃，t4=30℃。水的比热Cp=4.2×103J/(kg·℃)，由于碱液浓度为9%，羟基自由基活性氧的（以过氧化氢计）为3%，浓度较小且碱和过氧化氢的比热均小于水，比热可以按水的计算。热量损失按10%计。药剂的流量：药剂放出的热量：水吸收的热量：水的流量：考虑流量波动20%，则换热器允许最小流量为因为温差相同，所以对数平均温度即为平均温度：则初步选择BR-08型板式换热器取传热系数K’=3200W/(m2·K)则传热面积为由此，可以选择板式换热器BR-08型（锡惠化工公司）所需传热面积为4.74m2，考虑到25%的富余度，选择传热面积为6m2，则安装长度为620mm。

第5章主要设备的设计和计算第5.1节制药单元的设备设计和计算5.1.1制药机的设计计算根据法拉第定律，过氧化氢的产量(g/h)电流效率式中I——电流，A；τ——时间，s；t——时间，h；F——法拉第常数，96500，1C=1A·s；N——产物摩尔量，产物分子量与价数的比值，34/2(对于产物，分子量34，价数变化为2)。单台参数：17对电极I=600A（实际按560A）V=40Vη=080%控制碱温度≤40℃经过测量产生的药中过氧化氢的质量含量为0.03；过氧化氢的产量：所需的制药机台数为了便于管道布置和维修等，我们设定12单元为一台，则需要7台，另设一个备用，共8台，并另设置4单元的备用，共100台。5.1.2吸收塔的设计计算填料塔具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，因此，我们考虑采用填料塔。填料采用鲍尔环（25mm塑料），是近期具有代表性的填料，有较大的生产能力，较低的压降，效率较高，沟流大大降低。温度为20℃，压强（表压）为0.065MPa，流量为V=2812.96m3/h，用10%KOH吸收其中所含的少量的CO2，吸