【導讀】細的設計計算和工藝流程、平面布置圖的繪制。確定整個生產(chǎn)工藝的流程及操作條件，進行整個過程的物料衡算；設備的選型，繪制出設備的平面布置圖和帶控制點的工藝流程圖；圖和工藝流程圖。[16][蘇]A.T.謝爾柯夫.粘膠纖維[M].北京：紡織工業(yè)出版社，1985：2-4.[19]詹懷宇.纖維化學與物理[M].北京：科學出版社，2020：82-83，132-137，301-307.[24]陳嘉川，等.棉短絨低污染制漿工藝的研究[J].中國造紙，1999,：41-46.[28]唐宏青.工藝包設計編寫提綱探討[J].化工設計，2020，11：11-13.的，該工藝設計具有連續(xù)、清潔、低溫、高效、產(chǎn)品收率高，節(jié)能節(jié)水減排的特點，理的問題，實現(xiàn)了零排放的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。本設計主要分為制藥和制漿兩個單元。

　　

【正文】 畢業(yè)設計論文 16 脫甲基反應。反應過程中，木素中一些帶色的基團如對醌、鄰醌和側(cè)鏈的共軛雙鍵等被氧化斷裂而成為無色基團，從而使?jié){液漂白。 (4)木素與氧的反應 分子氧作為漂白劑，主要是利用分子氧的兩個未成對的電子對有機物具有強烈的反應傾向，從而發(fā)生游離基反應。分子氧與木素的反應，實際上都屬于游離基反應，在堿性介質(zhì)中分子氧引起對酚型 和烯醇式木素結(jié)構(gòu)單元的自動氧化所形成的負離子的親電攻擊。在氧漂白中，木素結(jié)構(gòu)的自偶氧化反應生成 HOO，作為一種親核試劑，可以被加成到羰基和共軛羰基結(jié)構(gòu)上 [19]。 第 節(jié) 棉短絨制漿工藝的研究現(xiàn)狀 近幾年，國內(nèi)外對棉短絨制漿工藝進行了改進，棉絨漿的性能有了很大的提高 [20]。制漿工藝主要出現(xiàn)了氧堿法、堿 過氧化氫法、過氧化氫強化的氧堿法和連續(xù)法制漿等低污染的制漿工藝，對于解決棉短絨制漿過程中存在的得率低、污染嚴重等問題取得了很大的進步。下面將介紹近幾年來棉短絨制漿工藝取得的進步。 燒堿 法制漿工藝 棉短絨在蒸煮前要進行原料的凈化，原料首先進行除皮、除塵等使含雜率低于3%。然后用堿液進行浸漬，濾去過量的堿液，再裝入蒸煮器中進行蒸煮。 典型棉短絨燒堿法制漿工藝條件如下： 用堿量 %（質(zhì)量分數(shù)，下同） 10~15 液比 3:1~6:1 蒸煮溫度 ℃ 140~170 蒸煮時間 h 2~5 采用傳統(tǒng)的高溫、高堿和較長時間保溫的 蒸煮方法雖然能夠達到粘膠纖維用棉漿粕的質(zhì)量指標，但纖維的損失和降解嚴重，是棉漿的得率低，由于果膠與堿反應生成的物質(zhì)會吸附在纖維表面，使?jié){的白度降低。 同時，傳統(tǒng)的制漿工藝污染嚴重，黑液有機物濃度大， CODCr超過 5 104mg/L，pH 高達 13 以上，色澤深，難以治理回收。 北京化工大學畢業(yè)設計論文 17 氧堿法制漿工藝 與木片和草片相比，棉短絨的結(jié)構(gòu)疏松，有利于氧氣的擴散和滲透，且氧氣容易制得，價格便宜，因此棉短絨制漿適合用氧堿法的工藝。 氧堿法制漿工藝的參數(shù)如下： 用堿量 % ~ 液比 4:1 蒸煮溫度 ℃ 120~150 蒸煮時間 min 120~180 氧氣壓力 MPa ~ 在堿性條件下，氧氣會對纖維發(fā)生強降解作用，因此，要加入氫氧化鈉和碳酸鎂作保護劑，取得了很好的效果。與傳統(tǒng)的燒堿法相比，氧堿法在得率、白度和聚合度方面都有了很大的提高，尤其白度達到了 %，無需用氯漂白。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。氧堿法是一種低污染的棉短絨制漿工藝 [21]。 堿 過氧化氫法制 漿工藝 20世紀 80年代，保定鈔票廠首家引進棉短絨堿 過氧化氫法制漿技術(shù)和相關設備。其工藝條件如下： 用堿量 % 2~6 過氧化氫用量 % 1~4 液比 5:1 最高溫度 ℃ 92~120 助劑 % ~（ NaSiO MgSO EDTA） 堿 過氧化氫法制漿工藝，得到的黑液中 CODCr 含量為 104~ 104mg/L，有機物含量明顯減少， pH 值 ~12，黑液為棕 黃色，容易治理，產(chǎn)生的棉漿白度高，后續(xù)可采用過氧化氫漂白，避免了用含氯物質(zhì)漂白產(chǎn)生二噁英等致癌物 [22]。 添加各種添加劑對棉短絨 NaOHH2O2 法制漿效果較好，白度和得率都有顯著提高，均勻度也較好，這些添加劑有 Na2SiO MgSO EDTA、 CaCl2等 [23]； 棉短絨堿 過氧化氫制漿與堿法制漿高溫蒸煮比較：紙漿得率提高 10%以上，白度增加近 20 度，蒸煮溫度低，可節(jié)省蒸汽，棉漿的柔軟性好，耐折度高，而且廢水中化學需氧量減少 80%[24]。 北京化工大學畢業(yè)設計論文 18 過氧化氫強化的氧堿法制漿工藝 氧堿法和堿 過氧 化氫法制漿工藝，所產(chǎn)生的污染少，且能夠值得滿足質(zhì)量標準的棉漿粕，但也存在一些問題。氧堿法中氧氣的溶解性差，致使蒸煮不均勻，影響漿粕質(zhì)量；堿 過氧化氫法中過氧化氫容易受到雜質(zhì)和反應條件的影響而分解，因此對原料和反應條件要求比較嚴格。綜合這兩種方法的優(yōu)缺點，研究出了過氧化氫強化的氧堿法制漿工藝 [25]。工藝條件如下： 用堿量 % 8~12 過氧化氫用量 % 1~2 氧氣壓力 MPa 最高溫度 ℃ 120 保溫時間 min 60~120 助劑 % （ NaSiO MgSO EDTA） 過氧化氫強化的氧堿法制漿工藝中主要影響因素是 H2O2 用量、 NaOH 用量 [26]。過氧化氫強化的氧堿法制漿工藝，綜合了氧堿法和堿 過氧化氫工藝的優(yōu)點，黑液有機物含量低，便于治理，漿粕的得率、白度和各項指標也有很大的提高，而且避免了上述兩種方法的不足，是棉短絨制漿工藝取得的很大的進步。 連續(xù)法制漿工藝 近幾年，我國在連續(xù)蒸煮漂白工藝上取得了一些成就，經(jīng) Bivis 處理所得的棉漿粕的質(zhì)量能夠達到標準要 求，提高了產(chǎn)量，降低了能耗，且減少了污染 [27]，是清潔制漿工藝的發(fā)展趨勢。 棉短絨紙漿工藝的比較 上述清潔制漿工藝都是在傳統(tǒng)的燒堿法工藝的基礎上進行的改進，與燒堿法相比，制得的棉漿粕得率、白度和強度等質(zhì)量指標都有很大的提高；蒸煮溫度降低，減少了過程所用能耗，減少了制漿過程中的污染，降低了黑液中的有機物含量，并且降低了黑液治理的難度；但制漿工藝為間歇操作，存在棉漿粕質(zhì)量不均勻，液比較大，高溫和反應時間較長；產(chǎn)生大量黑液，且黑液的 COD 較高；次氯酸鈉漂白，產(chǎn)生高致癌物二噁英。因此，我們設計了一種清潔 制漿工藝，期望能夠解決制漿過程污染嚴重和能耗大的問題。 年產(chǎn)三萬噸的清潔制漿工藝流程設計，需要對該流程的各環(huán)節(jié)的安全、投資、環(huán)保等綜合考慮 [28]，再細致工藝流程所需的設備、管路、儀表控制、配件和材料，都需北京化工大學畢業(yè)設計論文 19 要我們計算、選擇和設計，各種設備的布局安排需要我們自己處理，經(jīng)過該工藝流程產(chǎn)生的棉絨漿，還必須經(jīng)過各種檢測 [29]，達到我們制備棉漿粕的標準，這整個過程的每處細節(jié)都將是對我們的一項重大的考驗。 第 3 章 粘膠纖維用棉漿粕清潔工藝的設計 第 節(jié) 棉短絨清潔制漿工藝設計 針對傳統(tǒng)工藝存在的各種問題， 我們經(jīng)過理論分析和實驗驗證，確定了一種新的工藝流程。 棉短絨二次藥劑氧氣制藥機開棉機 三級旋風除皮 喂棉器 一次浸漬二次浸漬 一次催化反應移動料倉 二次催化反應連蒸器 干燥、打包濾塵器氣水堿一次藥劑洗漿多效蒸發(fā)濃縮 鉀肥圖 31 制漿單元的工藝流程 本清潔制漿工藝流程與傳統(tǒng)的工藝流程相比，在產(chǎn)品性能、能耗、污染、資源利用等各方面都有很大的改進。主要創(chuàng)新點有四個： (1)減少液比，降低了能耗?？紤]過氧化氫在制漿過程中所起的重要的氧化及漂白作用，但費用較高的因素，我們的新工藝將自己設計電化學設備，利用電化學方法，生產(chǎn)羥基自由基活性氧與堿液的混合藥液，既降低了過氧化氫原料的成本，又提高了北京化工大學畢業(yè)設計論文 20 藥液中的藥劑電勢，在達到產(chǎn)品 質(zhì)量指標的前提下，液比減少為 1~，大大減少了蒸煮液體量，降低了該過程的能耗。 (2)采用連續(xù)蒸煮工藝，提高棉漿粕的性能。傳統(tǒng)棉漿粕生產(chǎn)過程均采用間歇的蒸煮工藝，出口物料是具有不同停留時間的混合物。由于藥劑與原料混合不均勻，原料在蒸煮器中的停留時間不同和原料加熱的先后順序不同，造成了生產(chǎn)的產(chǎn)品分子量分布較寬，質(zhì)量不均勻。針對上述間歇操作帶來的產(chǎn)品分子量分布較寬的問題，我們考慮采取平推流的模型，即連續(xù)管式蒸煮反應器，這樣，物料在管內(nèi)所受的溫度和停留時間在理論上均完全相同（實際操作中存在很小部分的返混問題） ，就解決了產(chǎn)品分子量分布較寬的問題，實現(xiàn)了性能的均勻性。 (3)黑液得到充分利用，實現(xiàn)了零排放的循環(huán)經(jīng)濟模式。老工藝由于液比較大和工藝不成熟等原因，產(chǎn)生的黑液量非常大，有機物濃度也較高，很難治理，而且治理費用對于生產(chǎn)企業(yè)有時大到難以承受。為了解決這個問題，降低環(huán)境污染，提高資源的有效利用率，我們設想將堿液由 KOH 代替 NaOH，黑液經(jīng)過多效蒸發(fā)濃縮后，可以作為鉀肥利用，提高了資源的利用率，并且洗漿用水經(jīng)過處理后回用，實現(xiàn)了零排放的循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)模式。 (4)浸漬器采用帶式輸送。老工藝均采用螺旋輸送機或者高效螺 旋壓榨浸漬機，輸送濕料的電耗非常大，而且浸漬速率比較慢。浸漬器的作用主要是使原料與藥劑充分混勻，及藥劑要充分的浸漬到原料中。為了提高浸漬速率，根據(jù)速率 =推動力 /阻力，我們采用擠壓的方式提高推動力，在藥劑中加入表面活性劑減少阻力，從而提高了浸漬速率。帶式浸漬器是濕料夾在兩個傳送帶間輸送，并經(jīng)過兩個滾輪的擠壓和輸送過程中的震蕩，大大提高了浸漬速率，并且?guī)捷斔团c螺旋輸送相比，電耗降低了 90%以上。 通過上面四處的主要創(chuàng)新點的改進，新工藝的液比從 3~5 降低到 1~，蒸煮溫度從 165℃ ~170℃降低到 120℃ ~140℃，蒸煮時間從 7h~8h 減少到 ，難以治理且量很大的黑液變?yōu)榭梢岳玫拟浄省Ｄ戤a(chǎn)三萬噸的清潔制漿工藝流程的設計，期望能夠解決現(xiàn)有工藝存在的黑液量大，有機物濃度高，難以治理；溫度高，棉漿粕質(zhì)量不均勻，能耗高等各種問題，為我國天然纖維素的清潔制漿集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)化起到示范和帶動的作用。 第 節(jié) 制藥機的原理及結(jié)構(gòu) 北京化工大學畢業(yè)設計論文 21 生產(chǎn)裝置的核心部分是一個電催化膜反應器（如圖 32） ，它是利用國際上燃料電池的前沿技術(shù)制備高效電催化膜電極，該反應器集反應與分離為一體，工藝簡單，自動連鎖保護， 安全可靠，反應條件溫和，產(chǎn)物濃度在一定范圍內(nèi)可控，對環(huán)境友好，生產(chǎn)過程無三廢排放，屬于原子經(jīng)濟反應。陽極和陰極反應如下： 陽極： 2OH－ ?H2O+1/2O2+2e 陰極： H2O+O2+2e?HO2－ +OH－ 總反應： OH－ +1/2O2?HO2－ 陰極 陽極空氣軟水產(chǎn)品 + 氮氣 堿 + 氧氣堿循環(huán)離子膜K +K +K + 圖 32 電催化膜反應器簡圖 反應器本身是一個電解池，在電場作用， Na＋ 從一個固定負電荷向下一個負電荷遷移，以這種方式透過離子膜從電解槽的陽極室進入陰極室。陰極中氧在電場和催化劑作 用下還原成羥基自由基活性氧（活性氧 ,以下同）水溶液，同時生成 OH－ 離子，得到產(chǎn)物為堿性的活性氧水溶液。陽離子交換膜是反應器的核心部件之一，其特征是對 OH－ 具有排斥作用，使之不能通過交換膜到達陰極反應區(qū)。 該化學過程陰極所產(chǎn)生的羥基自由基活性氧和堿液的混合液即為浸漬棉短絨的藥劑，陽極產(chǎn)生的氧氣也會回收利用在后續(xù)的蒸煮器中。 為了節(jié)省空間和極板材料，每個極板的兩側(cè)分別為陰陽極，每臺制藥機包括 17對電極；為了工業(yè)化方便管路布置和維修等，我們將 12 臺制藥機作為一個單元。 電極板為具有較大反應面積的 低碳波紋不銹鋼板材制作，提高了反應區(qū)氣液湍流程度，增加了有效碰撞，有利于反應進行。采用串聯(lián)電路，一塊電極板既作陰極板又北京化工大學畢業(yè)設計論文 22 作為陽極板，節(jié)省了設備造價。 陰極室采用多孔碳素材料作骨架，該材料經(jīng)過特殊處理。經(jīng)過上述處理的材料，有效提高了電導率，增加了導電性能，有利于降低裝置的電阻，提高了電流密度。陽離子交換膜是反應器的核心部件之一，其特征是只允許 K+、 Na+通過，而對 OH— 具有排斥作用，使之不能通過離子膜到達陰極反應區(qū)，使反應向生成過氧化物方向進行，有效的抑制副反應，從而提高系統(tǒng)的選擇性，提高轉(zhuǎn)化率。 第 節(jié) 制藥工段的工藝流程設計 活性氧消毒劑的工藝流程由電催化膜反應器和供水、供電、堿循環(huán)、產(chǎn)物回收系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成， 如圖 33 所示。 1－風機； 2－空氣緩沖罐； 3－堿吸收塔； 4－水吸收塔； 5－發(fā)生器； 7－軟水柱； 8－軟水罐； 9－水泵； 10－堿液罐； 11－堿泵 ； 6， 12－冷卻器； 13－產(chǎn)物罐 圖 33 制藥單元的工藝流程示意簡圖 空氣經(jīng)過除塵器 X0102 進入羅茨鼓風機 C0101，然后進入空氣緩沖罐 V0103，緩沖罐上設有放空閥 ，保持緩沖罐壓力恒定，有利于對制藥機進氣量的控制；從緩沖罐出來的空氣進入堿吸收塔 T0102，吸收空氣中的二氧化碳，防止在制藥機中與堿液進行反應，然后進入水吸收塔 T0101，吸收從堿吸收塔帶入的堿液和其他雜質(zhì)，然后北京化工大學畢業(yè)設計論文 23 進入制藥機空氣的干管，支管，再分配管，陽極空氣管，進入制藥機陽極參與反應。 水經(jīng)過軟水柱 X0101A/B進行軟化處理，然后一部分直接進入軟水罐 V0102A/B，通過軟水罐中設計壓力傳感器控制截止閥，來控制進入軟水罐的水量，從而保證水罐中的液面在一定范圍之內(nèi)。另一部分進入配藥罐，與藥劑混合，流 入軟水罐