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中浓条件下纸浆与气态漂白剂的混合

2021-08-18 来源:吉林机械信息网

中浓条件下纸浆与气态漂白剂的混合

摘 要 中浓漂白是很有发展前途的漂白技术,中浓浆泵和中浓混合器是实现中浓漂白的关键设备,直接关系着漂白剂(无论气态还是液态)与纸浆的混合质量。该文着重探讨了中浓纸浆与气态漂白剂的混合机理,介绍了中浓混合器的基本结构。关键词 纸浆 漂白 混合 机理The Mixing of Pulp with Gas Bleaching Chemicals at Medium ConsistencyHou Qingxi Chen Kefu(South China University of Technology,510641)ABSTRACT The medium-consistency(MC)bleaching technology has good prospects.MC pump and MC mixer are the key equipment for MC bleaching process.They have direct effect on the mixing of pulp with bleaching chemicals(either gas or liquid state).This paper mainly discussed the mixing mechanism of pulp with gas bleaching chemicals at medium consistency.The basic structure of an MC mixer was also described.KEYWORDS MC bleaching,MC mixer,MC pump

受环境保护、经济效益以及减少能源消耗三个方面的影响,国外自70年代以来一直在研究和探索在浆料制备过程中满足上述三个方面的最佳途径。70年代末中浓浆泵和中浓混合器的研制成功,为降低漂白工段废水的排放量,减少能源消耗以及设备投资规模奠定了基础。采用高效的混合器进行中浓氯化,并以二氧化氯取代部分氯气加入到氯化段,不仅使纸浆质量与漂白得率得到保证,而且对于一定最终白度的纸浆,还可以明显降低有效氯的总需求量,减少漂白废水中有机氯的含量。在多段漂白的碱抽提段通入少量的氯气(约3~5kg/t),可以提高碱抽提的效率,使更多的木素溶解。据报道,使用EO段在同等纸浆相同的最终白度下可节约D段ClO2用量的23%,整个漂白工段生产能力可提高15%,EO段的应用可以显著降低纸浆硬度并减少漂白段数,缩短生产流程。近年来,随着ClO2、O2、O3、H2O2等漂白剂的开发应用以及中浓漂白技术的日趋成熟,纸浆的无元素氯漂白和全无氯漂白,已使浆料制备过程达到少污染或无污染,并且使节能降耗成为现实。

目前,中浓技术在我国尚未得到推广。由于我国造纸工业中纸浆厂生产规模很小,平均不到4000t/a,年产量3万t及以上的企业仅有100多家,漂白工艺还较落后,污染严重。因此,研究和掌握中浓技术,开发适合我国造纸工业发展的中浓技术装置,有着重要的现实意义。

中浓漂白一般是指纸浆浓度在8%~14%范围内的漂白。中浓混合器的作用就是要保证纸浆与漂白剂充分混合,使漂白剂快速并均匀地分布在纸浆纤维上。由于纸浆与液态漂白剂的混合要比与气态漂白剂的混合容易得多,故本文主要分析中浓条件下纸浆与气态漂白剂的混合机理。1 中浓条件下纸浆与气态漂白剂的混合机理

纸浆悬浮液是以纤维原料为固体物质的多相流体。据测定,浓度10%的纸浆中含有大约12%的空气,浓度12%的纸浆纤维细胞腔内和细胞壁中含有40%以上的水分。在气态漂白剂与中浓纸浆的混合中,首先必须经过一个气液质量传递过程,使气态漂白剂溶于纤维表层的水中,然后通过一定的手段将吸附于细胞壁中和存于细胞腔内的水与纤维表层已溶有气态漂白剂的水进行快速的交换,从而实现漂白剂与纸浆纤维的混合。1.1 混合机理

不管是哪类物料的混合,也不论采用哪种结构的混合物装置,导致物料混合的机理都是对流扩散、湍流扩散和分子扩散。在物料的相互接触过程中,它们各自在发挥着不同的作用。

分子扩散是由分子相对运动而引起的。在任何存在两种分子的系统中,只要时间足够长,分子将相互混合,形成分子尺度上的均匀混合物。任何混合过程,最终都趋于这种均匀,即分子均匀分布在整个流场。对于整个漂白过程而言,达到分子尺度上的均匀混合,也就可以保证漂白剂与纸浆中的残余木素以及一些有色物质均匀接触。但是,由于分子扩散的速度太慢,往往不能适应实际过程的需要。例如:一个特征尺寸L=5m的容器,内设有加热器为热源,假如容器内流体是静止状态,那么仅仅靠分子导热使热量散布于整个容器内,由于式中,ΔT是特征温度差,tm为分子导热(扩散)的时间比尺,α为导热系数,假定为常数,上式可进一步改写为假设容器中流体处于常温,导热系数α=0.2cm2/s,这样可得到扩散过程的时间比尺tm的数量约为106s,即300h。

工业中的流体流动大多数发生在湍流状态下,而湍流状态下的流体往往会产生湍动,它可以使流体破碎成许许多多的小微团,如图1所示。分子扩散可以通过这些微团的边界使不同组分进行交换。微团愈小,提供分子扩散的面积就愈大,微团之间交换的边界就愈大,愈有利于扩散,微团尺寸的减小主要依靠强度高而尺度小的湍动,湍动给分子扩散创造了有利的条件。图 1

湍动的主要作用是产生强烈剪切和速度脉动。如果混合速率由分子扩散的距离,也就是由溶质团的拉长或分割程度所决定,那么强烈的剪切作用将加快混合速度。如图2所示,将边长Lo的正方形流体单元置于剪切速率为的剪切场中,使其拉成平行四边形,若规定将平行四边形厚度减至Lm为达到混合目的,拉长过程中流体单元所经受的剪切时间就是主要混合时间tm,在应用小角度时,则有图 2由上式可以看出,混合时间与剪切速率成反比,即剪切速率越大,混合时间越短。通常湍流传递速率要比分子扩散导致的传递速率大几个数量级,说明湍流扩散比分子扩散更为重要。另外,在湍流状态下,流体受到的剪切应力式中μ为表观粘度,ρ为流体密度,l为脉动长度。从式中可以看出,剪切应力正比于剪切速率。在生产实际中,由于纸浆与漂白剂的混合是在混合器中进行,并且留在混合器中的时间极短,尽管纸浆已处于湍流状态并具有一定的剪切速率,但仍需另外供给能量即由混合器产生更高的剪切应力,以缩短混合时间。

速度脉动的作用是使混合物质在混合场内各点的流速不断改变大小和方向,使混合物质得到均匀的剪切作用,强化混合的过程。

在中浓条件下由于纸浆的表观粘度随浓度的增加已呈非线性变化,在没有高剪切力的作用下,这种非牛顿型流体自身会丧失流动的性能,呈现出明显的粘性特征、相互交织成的纤维网络会严重阻碍漂白剂与每根纤维的均匀接触。因此在漂白剂与中浓纸浆混合时,必须先将纤维网络分散,亦即纸浆实现流体化,使纸浆流成为近似由无数单根纤维所组成的连续介质,具有类似水流的流动特性,从而保证纸浆在混合场中与漂白剂得到快速、均匀的混合。

需要指出的是,由于湍流的宏观性质,它仅能将混合场的不同组分分散成一定大小的微团,其最小的极限尺寸与分子相比仍大得多,一般最小微团也将包含上百万个分子,因此不能指望湍流扩散的微团尺寸会接近分子大小,进一步的混合只能依靠分子扩散。为了描述这种混合过程,通常用分隔尺度L来代表湍流作用使物料分散的程度,以分隔强度I表示分子扩散作用使物料接近均匀的程度,分隔尺度L和分隔强度I可用以下数学公式表示

式中R(r)为相距r的浓度值之间的相关系数,δ2为流体单元浓度a对平均浓度的方差;δ20表示流体未混合、混合时间为零时的浓度a对平均浓度方差。从上式可看出,当未混合时刻δ2=δ20,I=1;当达到分子级混合时,任一流体单元浓度都为平均浓度,δ=0,I=0。分隔尺度L随着宏观混合(湍流扩散,图3中0-a阶段)的进行不断减小,又随微观混合(分子扩散,图3中a-b阶段)的进行逐渐增大。图 3

湍流流动加速了分子扩散的进程,提高了反应速率。仍以前面所举内置热源容器的导热问题为例,如若容器内空气发生运动,即使运动速度低至0.1m/s以下,湍流导热也可以使热量散布于整个容器,所需时间由原来容器内空气静止时的300h缩短至2 min以内。对于中浓纸浆与漂白剂的混合,由于纸浆在湍动状态中受到高剪切力的作用,纤维的扭曲和挤压—膨胀,可使纤维细胞腔内的部分水被“泵”出而漂白剂被“泵”入,加速了与漂白剂的交换。湍动对纸浆与漂白剂的混合起着重要的作用。

对流扩散是指主体运动所引起的扩散,它迭加在分子扩散或湍流扩散上,或三者同时存在,是混合过程的一个重要方面。具有一定初始速度和压力的气态漂白剂冲入流体化的中浓纸浆中,就会产生对流作用,加速不同的混合速度区域之间的交换,使各个混合区域的混合速度趋于一致。1.2 水的阻碍作用

纸浆中的水分一般以3种状态存在,或存在于纤维细胞腔内,或吸附于纤维细胞壁中,或者包围在纤维的周围。图4为3%、12%、30%浓度条件下湿纤维及其外围水的体积比较。对于12%浓度的中浓纸浆,细胞腔内水及吸附于细胞壁中的水的体积之和大约是全部水的体积的40%。显然这部分水阻碍着漂白剂与纤维的直接接触,因此在纸浆与漂白剂的混合过程中,必须要借助高强度的剪切作用以及所产生的局部激烈的速度脉动,削弱这部分水的阻碍作用,这也是中浓混合器所具备的一个特性。图 4

从图4中还可注意到,随着纸浆浓度的提高,包围在纤维周围的水的体积明显减少,纤维内外漂白剂的浓度差增大,这一方面有助于提高扩散速率,另一方面也减少了漂白后废液的排放量。1.3 中浓纸浆与气态漂白剂的混合

中浓纸浆与液态漂白剂的混合,可以借助中浓浆泵在湍流状态下进行。而中浓纸浆与气态漂白剂的混合,为了保证混合质量,一般须经中浓浆泵将纸浆泵入中浓混合器,在此与气态漂白剂进行混合。气态漂白剂的加入点在混合器的纸浆入口端。整个混合过程中,所进行的对流作用、湍动及分子扩散的程度是决定混合效果的关键因素。

当具有一定压力的气态漂白剂射入纸浆流道时,首先发生的是对流扩散,紧接着便是湍流扩散,最终进入分子扩散阶段。中浓纸浆经过中浓浆泵中湍流发生器的高剪切力作用之后,已呈流体化状态,纸浆流被破碎成较小的块团。气态漂白剂由于是在一定压力和一定初始速度下射入中浓混合器的入口端,已处于湍流状态,当与纸浆相接触时,会相互冲击扰动,出现了对流作用,并产生了极不稳定的涡旋。纸浆块团尺寸进一步减小,气体由于射流断裂,形成了不同大小的气泡,于是相互间

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