Тема 1.5 Промывка целлюлозы

Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
1
ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА ПРОМЫВКИ
В процессе промывки целлюлозы происходит отделение отработанного щелока от сваренной целлюлозной массы.
Задача промывки состоит в том, чтобы с наименьшими потерями растворенных веществ отделить весь щелок от целлюлозной массы.
Основные процессы и явления при промывке целлюлозы
К числу важных физико-механических и физико-химических процессов относят:

отжим щелока от целлюлозной массы;

фильтрацию щелока сквозь целлюлозную массу;

диффузию растворенных веществ щелока из целлюлозного волокна;

адсорбцию волокном растворенных веществ щелока.
Отжим. Механический отжим жидкости от целлюлозной массы осуществляется в прессах разного типа. Преимущество этого метода – отделение щелока
без разбавления. Однако, при одноступенчатом отжиме не достигается полнота
отделения щелока, т.к. развиваемое в прессах давление недостаточно для удаления щелока из внутренних капилляров целлюлозного волокна.
Фильтрация. Под фильтрацией в химической технологии понимают процесс разделения суспензии путем пропускания ее через фильтрующую поверхность, задерживающую твердые частицы и пропускающую жидкость. Такой процесс происходит при отделении щелока на барабанных фильтрах, в зоне погружения барабана в жидкую массу. В зоне промывки на барабане промывная жидкость
фильтруется сквозь образовавшийся слой сгущенной массы, вытесняя из него
крепкий щелок. При промывке в сцеже, котле или диффузоре весь процесс протекает, как фильтрация жидкости сквозь слой массы. Скорость фильтрации измеряется количеством жидкости, проходящей через единицу поверхности фильтра в
единицу времени и выражается уравнением Пуазейля:
P
;
Rl
ΔР – разность давлений по сторонам фильтрующего слоя;
l – толщина фильтрующего слоя;
R – коэффициент сопротивления фильтра, который равен
q
где
R
32
;
d 2
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
2
где
μ – динамическая вязкость жидкости;
φ – коэффициент живого сечения фильтра;
d – средний диаметр капилляров в фильтрующем слое.
Целлюлозная масса представляет собой сжимаемый фильтрующий слой, с
повышением разности давлений масса спрессовывается и коэффициент сопротивления фильтра R растет.
При фильтрации через тонкий слой массы (на барабаном фильтре) степень
уплотнения по толщине слоя примерно одинакова, при фильтрации через толстый
слой масса сильно спрессовывается только у фильтрующей перегородки.
Диффузия. За счет диффузии происходит извлечение растворенных веществ изнутри целлюлозных волокон. Для извлечения щелока из отдельно взятого
целлюлозного волокна, погруженного в воду, нужно менее 1 с, тогда как из пучка
волокон, имеющего форму кубика объемом 1 см3, щелок будет диффундировать
дольше часа.
Оценка результатов промывки
Для оценки результатов промывки решающими показателями являются количество и концентрация отделенного от целлюлозной массы щелока на использование, щелока направляемого на регенерацию и щелока направляемого на варку. Для характеристики результатов и сопоставления между собой различных
способов отбора щелоков и промывки целлюлозы используют три основные величины:
1. Степень отбора щелока на использование, или эффективность промывки η, представляющая собой отношение количества растворенных веществ в
крепком используемом щелоке к их количеству в исходном щелоке после варки:

G
;
G0
2. Относительная концентрация f, равная отношению концентраций, растворенных веществ в отобранном и исходном щелоках:
f 
c
;
c0
3. Относительный объем щелока m, выраженный отношением объемов
используемого и исходного щелоков:
m
V
;
V0
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
3
Поскольку G0=c0V0 и G=cV, то очевидно, что η = fm.
Значения η и f всегда меньше 1, а относительный объем m может быть и
больше и меньше единицы.
Непрерывная промывка целлюлозы на барабанных фильтрах
Непрерывная промывка на барабанных вакуум фильтрах наиболее современный способ промывки целлюлозы. Существуют различные типы барабанных
вакуум-фильтров. Однако, принцип работы для всех одинаков - создание необходимой разности давлений под фильтрующей сеткой барабана и внешней средой
для отвода жидкости из сформованного на поверхности барабана слоя массы. Эта
разность давлений создается с помощью барометрической трубы, отсасывающих
трубок или каналов и за счет давления над слоем массы, создаваемого вентилятором.
При промывке сульфатной целлюлозы могут применяться фильтры, изготовленные из углеродистой стали. При производстве целлюлозы высоких марок
таких как, электроизоляционной, для химической переработки и др. следует применять фильтр из коррозионностойкой стали.
Барабанные фильтры делятся:
1. по конструкциям: на секционные, на фильтры с вакуумными трубками,
на фильтры давления, на фильтры с сифонными трубками, на бесклапанные фильтры;
2. по способу создания разности давлений: на высоковакуумные, низковакуумные, на фильтры давления;
3. по числу осуществляемых на одном барабане ступеней промывки: на
однозонные и многозонные;
Промывка на непрерывно действующих барабанных фильтрах, складывается из следующих стадий: образование слоя массы (папки) на барабане, обезвоживания папки, промывки ее водой или оборотным щелоком, и окончательное обезвоживание.
Факторы промывки в тонком слое
1. Разность давлений - движущая сила процесса фильтрации. С увеличением перепада давлений скорость фильтрации возрастает. Слой волокна на
сетке имеет определенную пористость, то есть пронизан большим количеством
каналов по которым проходит фильтрат. Под действием давления (вакуума)
масса спрессовывается, а каналы уменьшаются. Величина сжатия зависит от перепада давления и вида промываемой массы. Целлюлоза из лиственных пород
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
4
древесины сжимается больше, чем из хвойной; мягкая больше, чем жесткая;
сульфатная больше, чем сульфитная.
2. Вязкость. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается,
скорость фильтрации возрастает. Однако повышение температуры имеетпредел
(при работе на вакуумных фильтрах). Количество и упругость паров щелока при
повышении температуры быстро возрастают, и когда упругость паров становится
равной создаваемому вакууму, щелок вскипает и вакуум «срывается».
3. Сопротивление слоя массы. Эта величина существенно влияет на скорость фильтрации, производительность фильтров и промывку в целом. Она зависит от удельного сопротивления осадка и прямо пропорциональна
его толщине.
4. Удельное сопротивление осадка. Функция разности давлений,
концентрации массы, структуры массного слоя, свойств массы. Оно характерно
для каждого вида целлюлозы. Большое влияние на удельное сопротивление осадка оказывают свойства целлюлозных волокон. Чем короче волокна целлюлозы,
тем плотнее осадок и тем выше удельное сопротивление и наоборот.
5. Степень провара. С повышением выхода целлюлозы, волокна становятся
менее гибкими, они менее плотно прилегают друг к другу и образуют рыхлую
папку. Хорошо проваренная целлюлоза содержит разработанные гибкие волокна,
увеличивающие сопротивление фильтрации, но промывка такой целлюлозы в целом более эффективна. Это объясняется тем, что благодаря меньшей плотности
стенок волокон в мягкой целлюлозе из них проще отобрать внутриклеточный щелок и диффузия растворенных веществ, протекает легче. Таким образом, удельное
сопротивление слоя осадка коротковолокнистых масс из лиственных пород древесины, так же как мягкой, хорошо проваренной целлюлозы будет выше, а скорость
фильтрации соответственно ниже, чем у длинноволокнистых масс из хвойных пород древесины и жесткой целлюлозы. Поэтому для промывки первых требуется
большая поверхность фильтров, чем для промывки вторых. Но для промывки
мягкой целлюлозы количество ступеней может быть меньше, так как оно протекает более интенсивно.
6. рН среды. При уменьшении рН промывка улучшается. Для промывки
сульфатной целлюлозы требуется большая поверхность фильтров, чем для сульфитной целлюлозы.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
5
7. Концентрация массы. Концентрацию массы перед зоной промывки
нужно поддерживать достаточно высокой. Чем больше исходного щелока будет
отобрано без разбавления, тем выше эффективность промывки.
Предельная концентрация 12%. Концентрация массы на сходе фильтра также важна. Чем выше конечная концентрация, тем меньше потери волокна.
8. Количество и характеристика промывной воды. Идеальный вариант скорость подачи воды равна скорости фильтрования. Однако, слой массы на барабане не равномерен, поэтому расход промывной воды всегда значительно выше
теоретического.
9. Температура промывной воды. Минимальной считается температура
52°С. При повышении температуры снижается вязкость, скорость и качество промывки увеличивается. Качество промывки снижается при чрезмерном увеличении
температуры промывки. Масса набухает - папка становится рыхлой и пухлой.
Предельная температура промывки для целлюлозы из древесины сосны 74 °С,
целлюлозы из лиственной древесины 82°С. Применение холодной воды недопустимо в связи с увеличением смоляных затруднений и смола остается на целлюлозном волокне.
Секционный двухзонный вакуумный фильтр
Полый барабан фильтра разделен радиально на полые перегородки на 28
секций, каждая из которых сообщается с соответствующим ей отверстием распределительной головки на торце барабана.
Рисунок 1. Схема секционного вакуум-фильтра
Головка делится на три части:
Первое отделение вакуум отсоса крепкого
щелока. Занимает более половины окружности барабана. Втрое отделение более высоковакуумного отсоса слабого щелока.
Занимает четверть окружности. Третье отделение сообщается с атмосферой или подводом сжатого воздуха.
В первой зоне происходит формование массного слоя на поверхности барабана, пока он погружен в жидкость (6 секций). Предварительное обезвоживание
слоя (4 секции) и промывка массы слабым щелоком (7 секций).
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
6
Во второй зоне происходит окончательное обезвоживание массы и отсос
слабого щелока перед съемом с поверхности барабана.
Фильтр с вакуумными трубками
Фильтр с вакуумными трубками работает аналогично двухзонному. Барабан
фильтра полый, но отсасывающие камеры располагаются не внутри, а на наружной поверхности барабана и имеют небольшой объем.
Рисунок 2. Барабанный фильтр с вакуумными трубками:
а – вид сбоку; б – продольный разрез
1 – барабан; 2 – ванна: 3 – отсасывающая камера; 4 – фильтрующая сетка;
5 – вакуумные трубки; 6 – распределительная головка; 7 – труба для отвода крепкого
фильтрата; 8 – трубы для отвода слабого фильтрата; 9 – приводная шестерня; 10 – спрыски
Перегородки между соседними камерами в виде продольных планок идут
вдоль всей длины барабана. Камеры перекрываются перфорированным ситом с
крупными отверстиями, поверх которого натягивается фильтрующая сетка. От
каждой камеры отходит вакуумная трубка, соединяющая ее с распределительной
головкой.
Фильтры давления
Барабан фильтра под давлением не имеет ячеек, внутри он полый с глухими
торцевыми крышками и вращается в ванне, закрытой кожухом. В пространстве
кожуха и в ванны, внутри которого находится барабан, воздуходувкой нагнетается воздух давлением до 10 кПа. Масса подается в ванну насосом концентрацией
1,5 %. Папка собирается на барабане. Барабан и бак приспособлены для двухзонной промывки. В первую секцию по ходу барабана насосом подается слабый щелок из отделения бака для щелока от второй зоны фильтра, во вторую слабый щелок из бака следующего фильтра. Воздух выжимает щелок и промывную воду из
массы во внутреннюю полость барабана и выходит под шабером в концевую
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
7
часть ванны, которая герметически закрыта и уплотнительным валиком отделена
от основной ванны, в которой вращается барабан и поддерживается давление.
Рисунок 3. Устройство фильтра давления:
1 – вход воздуха от воздуходувки; 2 – отсос воздуха воздуходувкой; 3 – выход масcы;
4 – слив щелока; 5 – уплотнительный валик; 6 – мешалка для промытой массы
Массная папка в концевой ванне разрывается, смешивается с оборотным
щелоком или водой и подается в следующую ванну или бассейн. Для создания
разности давлений минимальная разность уровней щелока внутри барабана и в
баке должна быть равна двум метрам, что дает возможность устанавливать фильтры давления на относительно низкой отметке.
Вторая зона представляет собой неподвижную воронку, установленную во
внутренней полости по всей длине барабана. В воронку попадает щелок, отжатый
из массы, а воздух свободно выходит в барабан. Щелок сливается из воронки в
отделение бака для щелоков первой зоны. Преимущества фильтров давления:
1. Возможность работы при высоких температурах, следствием чего является высокая эффективность промывки и экономия тепла в процессе дальнейшей
переработки щелока;
2. Закрытая конструкция и циркуляция воздуха в системе, исключает необходимость его очистки и дезодорации;
3. Отсутствие закрытых для доступа ячеек или отводящих фильтрат труб
облегчает работу по очистке от солевых отложений, особенно при промывке
сульфиткальциевых целлюлоз;
4. Возможность устанавливать фильтр на относительно низкой высоте; Недостатки:
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
8
1. Меньшая производительность по сравнению с фильтрами других типов
при одинаковой поверхности;
2. Большая чувствительность к перегрузкам, изменениям перепада давления, колебаниям количества промывной воды;
3. Резкое снижение эффективности последних фильтров промывной установки;
4. Относительная сложность устройств.
Схема промывной установки
На комплексных промывных установках промывка осуществляется в несколько ступеней по принципу противотока. Промывная установка состоит из
фильтрующих барабанов, погруженных в ванны в которых поддерживается постоянный уровень массы.
Барабаны располагаются продольными осями параллельно друг другу. Слой
массы непрерывно опускается с барабана в промежуточную мешалку, в которой
разбавляется и снова подается на следующий барабан. Поочередной сгущение и
разбавление массы происходит несколько раз в зависимости от числа барабанов,
находящихся в промывной установке.
Различают следующие самостоятельно работающие ванны промывной
установки:
- начальная ванна, в которой масса из выдувного резервуара разбавляется
щелоком до концентрации 0,5…1,5 % перемешивается и поступает в ванну фильтра;
- ванна фильтра, в которой вращается фильтрующий барабан;
- промежуточная ванна с разрыхлителем и мешалкой, в нее подается с барабана слой массы концентрацией 12…16 %. В ванне происходит разбавление слабым щелоком до 0,5…1,5 % и масса подается на следующий барабан;
- конечная ванна, в которую поступает промытая масса при концентрации 12…16 %, где она разрывается, а при необходимости разбавляется водой и
выгружается.
Конструкция ванны обеспечивает смешение массы со щелоком без контакта
с воздухом. Это является основным требованием для поддержания коэффициента
вытеснения.
Промывная установка, состоит из трех однозонных барабанов (трехступенчатая). Установка имеет ванны для барабанов, начальную, две промежуточных и
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
9
конечную. Под общей ванной находятся баки для слива щелока, удаленного при
промывке.
Рисунок 4. Схема трехступенчатой промывной установки с вакуум-фильтрами:
1 – выход массы из выдувной трубы варочного котла; 2 – выдувной резервуар; 3 – массный
насос; 4 – расходомер массы; 5 – сучколовитель; 6 – напорный ящик; 7 – барабаны и ванны вакуум-фильтра; 8 – промежуточные ванны; 9 – конечная ванна; 10 – выход массы;
11 – щелоковые баки; 12 – слив щелока из барабана; 13 – свежая вода; 14 – щелок на спрыски и
в промежуточные ванны; 15 – спрыски; 16 – щелоковые насосы; 17 – насос для щелока на выпарку; 18 – щелок в выдувной резервуар; 19 – пары вскипания; 20 – пеносборник; 21 – пенопровод; 22 – насос откачки слабого щелока; 23 – сучки со щелоком на дренажную решетку
Над каждым барабаном расположены спрысковые устройства, через которые промывная жидкость поступает на слой массы, находящийся на барабане.
При противоточной промывке в спрыски последнего барабана по ходу массы подается чистая теплая вода, которая при прохождении через слой массы на барабане превращается в слабый щелок и поступает в сборный бак. Из этого бака
насосом слабый щелок подается на спрыски предыдущего барабана и щелок
вновь стекает в сборный бак (щелок средней концентрации). В сборном баке под
первым фильтром собирается наиболее концентрированный черный щелок.
Каждая ступень промывки имеет свой насос для подачи промывного щелока
из бака данной ступени в промежуточную ванну для разбавления массы перед поступлением ее на барабан своей ступени, на промывку сетки своего барабана и в
спрыски над предыдущим фильтром.
Крепкий щелок откачивается из бака первой ступени в начальную ванну, в
спрыски выдувного резервуара, мерники черного щелока в варочном отделе, баки
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
10
хранения перед выпарной установкой и на сучколовители перед промывной установкой.
Промывка целлюлозы в прессах
Промывка целлюлозы методом отжатия на прессах получил большое распространение при производстве полуфабрикатов высокого выхода и полуцеллюлозы. Эти полуфабрикаты в процессе варки не подвергаются полному разделению
на волокна. Удаление черного щелока из таких пучков волокон методом вытеснения затруднено и поэтому применяют отжатие на прессах. В прессы целесообразно подавать массу возможно более высокой концентрации (не менее 8 %), чтобы
снизить потери промытого волокна с черным щелоком.
Для этого применяют прессы различных конструкций: дисковые типа Давенпорт, винтовые типа Спроунт-Вальдрон.
Рисунок 5. Схема пресса типа Давенпорт:
1 – в ход массы; 2 – выход массы; 3 – сток промывной жидкости
Пресс Давенпорт имеет вертикальный шнек в конусном корпусе и два конических перфорированных диска, полых в середине. Диски прижимаются друг к
другу под некоторым углом. В вертикальном шнеке масса предварительно сгущается, а отжимается до 35 % сухих веществ между дисками. В винтовом прессе
Спроут-Вальдрон имеются вертикальные и горизонтальные шнеки. К вертикальному шнек-прессу целлюлоза подается винтовым питателем. При перемещении
материал подвергается дефибрирующему воздействию. В вертикальной части
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
11
пресса отжимается до 60…70 % всей жидкости, удаляемой прессом. В горизонтальной части материал отжимается окончательно.
Рисунок 6. Схема пресса типа Спроут-Вальдрон:
1 – вход массы; 2 – выход массы; 3 – сток промывной жидкости;
4 – регулятор степени сжатия при выгрузке; 5 – питательный шнек
Промывка на таких прессах осуществляется в несколько ступеней. При сочетании промывки на прессах и фильтрах пресс можно поставить перед фильтрами или после них. При непрерывной варке целлюлозы такое сочетание позволяет
достигнуть высокого качества при непрерывной промывке.
Недостатки. При проходе через винтовой пресс масса подвергается сильному прессованию и трению. Обработка целлюлозы в таком прессе может влиять
на механические свойства массы и вызывать скручивание волокна. Поэтому прессы получили ограниченное применение.
Промывка целлюлозы на пресс-фильтрах
Пресс-фильтр – аппарат для непрерывной промывки целлюлозы. Соединяет
в себе барабанный фильтр и пресс. Масса, разбавленная щелоком в выдувном резервуаре до концентрации 4…5 %, подается насосом под давлением в закрытую
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
12
ванну фильтра, в которой вращается барабан с крупными отверстиями. С торцов
барабан имеет крышки.
Рисунок 7. Схема пресс-фильтра:
1 – вход массы; 2 – перфорированный барабан; 3 – ванна; 4 – подвод промывной жидкости;
5 – прессовый вал; 6 – шабер
На барабан насажена грубая сетка с отверстиями 1 мм. Ванна, охватывающая барабан снизу, оканчивается узкой выходной щелью, что способствует быстрому обезвоживанию массы перед переходом в промывную зону. Промывная зона
образуется колпаком, который охватывает барабан снаружи примерно на четверть
окружности. Промывной колпак разделен на три отделения. В каждое отделение
подается промывная жидкость – фильтрат со следующей ступени промывки или
вода. Окончательное обезвоживание промытой массы производится мощным
прессовым валом, который прижимается к поверхности барабана. Сухость массы
после прессового вала составляет 30-40%. Прессовый вал изготовлен из чугуна,
цилиндрическая поверхность снабжена канавками. Впуск массы в ванну происходит через напускной ящик. Производительность пресс-фильтров составляет от 20
до 50 т в.с.ц в сутки на 1 м поверхности барабана, что в 4…10 раз превышает
удельную производительность вакуум-фильтров.
Сочетание фильтрации с промывкой по методу вытеснения и отжимом под
прессовым валом дает высокие показатели промывки, что позволяет строить схему промывки всего в две ступени для бисульфитной целлюлозы. Промывка этим
методом сульфатной целлюлозы исследуется. Сдвоенные прессы типа Варинип.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
13
Прессы состоят из двух вращающихся навстречу друг другу перфорированных
барабанов, погруженных в ванну, куда поступает масса со щелоком из выдувного
резервуара при концентрации от 7 до 12 %.
Рисунок 8. Схема устройства сдвоенного пресса типа Варинип
Один из прессовых барабанов может передвигаться в горизонтальном
направлении, что позволяет регулировать зазор между барабанами и степень
прижима их друг к другу. Отжатая масса выходит сверху при сухости 40%.
Обычная схема промывки на прессах Варинип в три ступени.
Промывка целлюлозы в варочном аппарате типа Камюр и диффузоре
непрерывного действия
При варке целлюлозы в современных аппаратах непрерывного действия типа Камюр, массу частично или полностью промывают в варочном аппарате. При
таком способе промывной щелок подается в нижнюю часть котла. Щелок движется в радиальном направлении и вверх навстречу потоку массы. Крепкий щелок
здесь вытесняется промывным. В нижней части, недалеко от днища расположен
первый пояс сит 1, через которые отбирается промывной щелок, подогревается в
теплообменнике 2 и по системе циркуляционных трубопроводов подается обратно в зону промывки. Промывная жидкость движется навстречу опускающейся
массе, вытесняет крепкие щелока и постепенно за счет диффузии насыщается растворенными веществами. В верхней части зоны промывки через нижний ситовой
пояс 4 поднимающийся щелок отбирается и возвращается по циркуляционной
трубе 5 в массу над верхним ситовым поясом промывной зоны. Этот щелок вытесняет из массы варочный щелок, который отбирается из котла через верхний
ситовой пояс 6 зоны верхней промывки и направляется в верхний циклон испаритель 7.
Промывка производится при температуре 120…130 °С. Для обеспечения
условий холодной выдувки щелок, подаваемый в нижнюю часть котла, имеет
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
14
температуру 75…80 °С. Температура выдуваемой массы из котла 80…85 °С. Эффективность такой высокотемпературной промывки зависит от продолжительности промывки, температуры, а также от вида и качества целлюлозы.
Рисунок 9. Схема движения потоков в зоне
горячей диффузионной промывки непрерывного котла типа Камюр:
1 — нижний ситовый пояс зоны промывки;
2 — теплообменник;
3 — циркуляционные трубы;
4 — верхний ситовый пояс верхней зоны
промывки;
6 — ситовый пояс зоны отбора щелока;
7 — циклон-испаритель
Степень отбора органических веществ из щелоков достигает 93 %.
Сгущение массы после варочного аппарата с высокотемпературной диффузионной промывкой может осуществляться на диффузоре непрерывного действия.
При 1,5…2 часовой диффузионной промывке в варочном аппарате для достижения эффективности промывки достаточно иметь на домывке массы два фильтра. С
увеличением времени диффузионной промывки до 3…4 ч. Для домывки устанавливается один фильтр. Более совершенной является схема с применением для домывки целлюлозы диффузора непрерывного действия.
Промывка в диффузорах непрерывного действия
В диффузоре непрерывного действия промывается слой массы толщиной
350…450 мм, располагающийся между двумя кольцевыми ситами. В центре между ситами в массу вводиться с постоянной скоростью и при постоянном объеме
промывная жидкость.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
15
Рисунок 10. Общий вид промывного диффузора непрерывного действия:
1 — корпус; 2 — сопло; 3 — сита; 4 — приводной механизм скребков и сопел;
5 — скребок; 6 — дренажная труба
Рисунок 11. Схема диффузора:
а — непрерывного действия; б — кольцевого сита в разрезе;
1 – корпус диффузора; 2 – кольцевое сито; 3 – разгрузочные скребки; 4 – патрубки или
спрыски; 5 – труба-держатель сит; 6 – механизм встряхивания сит;
7 – перегородка кольцевого сита; 8 – распорка; 9 – перегородка в трубках-держателях.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
16
Диффузор непрерывного действия состоит из цилиндрического корпуса с
коническим дном. Внутри этого корпуса, в верхней его части расположены цилиндрические сита с отверстиями диаметром 1,5…1,8 мм. Количество сит колеблется от 2 до 6. Расстояние между ситами составляет 450…500 мм. Высота перфорированной поверхности сит 0,9 м, общая высота – 1 м. Внутри сит установлены распорки, которые предохраняют их от сплющивания. Сита с помощью гидравлического устройства совершают возвратно-поступательные движения в вертикальном направлении по ходу движения массы на расстоянии 100…150 мм.
Скорость движения сит снизу вверх равна скорости движения массы и составляет
100 мм/мин. Вниз сита движутся 100 мм/с. Снизу сита укреплены на дренажных
трубах-держателях, расположенных в радиальном направлении. По центру между
ситами в массу через вращающиеся патрубки или спрыски вводится промывная
жидкость. Спрыски подвешены к полым рычагам скребков, которые расположены
над ситами. Каждый патрубок или спрыск погружен в целлюлозную массу. Промывная вода из спрысков диффундирует в радиальном направлении через слой
массы толщиной 200…250 мм и вытесняет щелок из массы. Фильтрат из массы
отводится через отверстия сит проходит внутрь сита и из него отводится наружу
через трубы-держатели и далее в бак щелоков через гибкие шланги под небольшим вакуумом. Промытая масса соскребается скребками сверху сит в желоб, расположенный по верхнему краю диффузора, разбавляется оборотной водой и подается в очистной отдел. Промывка проводиться при концентрации массы 12…13
%. Продолжительность промывки составляет 7-9 мин, что в 50 раз больше чем
промывка целлюлозы на вакуум-фильтрах. Эффективность промывки 90…95 %.
Фактор разбавления составляет 1,5…2 м3/т в.с.ц. Производительность диффузора
100…500 т/сутки. Диффузоры непрерывного действия можно применять для промывки целлюлозы и после периодической варки. Для этого устанавливают 2…3
диффузора и ведут противоточную промывку.
Преимущества промывки целлюлозы в котле и в диффузоре
• Высокая эффективность промывки
• Большая производительность установки
• Равномерность промывки
• Отсутствие пенообразования
• Малое разбавление щелоков
Недостатки
• Увеличение объема варочного котла непрерывного действия
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
17
• Сложность устройства диффузора непрерывного действия
Лабораторный контроль процесса промывки
• Определяют качество промывки целлюлозы по окисляемости воды, отжатой от массы;
• Определяют количество и температуру крепкого щелока, который отбирают на биохимическую переработку;
• Определяют в щелоке содержание сухого остатка, редуцирующих веществ
и сахаров;
• Определяют расход свежей воды и ведут контроль концентрации массы
по всему технологическому потоку
Основные процессы, протекающие при промывке
Процессы при промывке массы можно разделить на две группы: механические (механический отжим, фильтрация) и физико-химические (диффузия, набухание, адсорбция, пенообразование).
Механический отжим представляет собой наиболее простой способ разделения волокна и щелока, но он не обеспечивает достаточно полного отделения
щелока.
При отжиме жидкость выдавливается из каналов и капилляров массы под
действием приложенного внешнего давления. При этом одновременно происходит сжатие массы и уменьшение сечения капилляров. Жидкость в тонких капиллярах удерживается силами поверхностного натяжения, которые проявляются тем
больше, чем меньше диаметр капилляра, т. е. удержание будет определяться капиллярным давлением.
При отжиме целлюлозная масса будет отдавать жидкость до тех пор, пока
возрастание внутреннего капиллярного давления за счет спрессовывания массы и
уменьшения диаметра капилляров не уравновесит внешнее приложенное давление. При отжиме массы в шнек-прессах достигается сухость 30…40 % при давлении до 2 МПа, а при отжиме в поршневых прессах сухость достигает 48 % при
давлении 40 МПа. Таким образом, осуществить промывку за счет одного отжима
технически невозможно.
Под процессом фильтрации при промывке понимают процесс разделения
волокна и щелока через перегородку с мелкими отверстиями, удерживающую волокно и пропускающую жидкость. Такой процесс фильтрации происходит при
отделении щелока на барабанных фильтрах в зоне погружения барабана в массу.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
18
В зоне промывки на фильтре промывания жидкость фильтруется уже через
готовый слой волокна, без дальнейшего увеличения этого слоя, т. е. фильтрация
осуществляется через тонкий слой массы.
При промывке в диффузорах процесс проходит при фильтрации жидкости
сквозь готовый слой массы значительной толщины.
Основные процессы, протекающие при промывке
Процессы при промывке массы можно разделить на две группы: механические (механический отжим, фильтрация) и физико-химические (диффузия, набухание, адсорбция, пенообразование).
Механический отжим представляет собой наиболее простой способ разделения волокна и щелока, но он не обеспечивает достаточно полного отделения
щелока.
При отжиме жидкость выдавливается из каналов и капилляров массы под
действием приложенного внешнего давления. При этом одновременно происходит сжатие массы и уменьшение сечения капилляров. Жидкость в тонких капиллярах удерживается силами поверхностного натяжения, которые проявляются тем
больше, чем меньше диаметр капилляра, т. е. удержание будет определяться капиллярным давлением.
При отжиме целлюлозная масса будет отдавать жидкость до тех пор, пока
возрастание внутреннего капиллярного давления за счет спрессовывания массы и
уменьшения диаметра капилляров не уравновесит внешнее приложенное давление. При отжиме массы в шнек-прессах достигается сухость 30…40 % при давлении до 2 МПа, а при отжиме в поршневых прессах сухость достигает 48 % при
давлении 40 МПа. Таким образом, осуществить промывку за счет одного отжима
технически невозможно.
Под процессом фильтрации при промывке понимают процесс разделения
волокна и щелока через перегородку с мелкими отверстиями, удерживающую волокно и пропускающую жидкость. Такой процесс фильтрации происходит при
отделении щелока на барабанных фильтрах в зоне погружения барабана в массу.
В зоне промывки на фильтре промывания жидкость фильтруется уже через
готовый слой волокна, без дальнейшего увеличения этого слоя, т. е. фильтрация
осуществляется через тонкий слой массы.
При промывке в диффузорах процесс проходит при фильтрации жидкости
сквозь готовый слой массы значительной толщины.
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
19
Целлюлозная масса представляет собой сжимаемый фильтрующий слой.
Под влиянием давления фильтрации он легко спрессовывается. В результате
уменьшается коэффициент живого сечения фильтра и средний диаметр каналов, а
в конечном итоге возрастает коэффициент сопротивления фильтрации R.
Процесс фильтрации применяют
при промывке по методу вытеснения, когда с помощью воды или
оборотного щелока вытесняют
крепкий щелок, заключенный в
массе. Практически вытесняется
без разбавления лишь свободный
щелок, заключенный между отдельными волокнами и пучками
волокон.
Между волокнами имеются каналы более широкие и более узкие. По широким каналам жидкость движется быстрее, и из них быстрее вытесняется щелок.
Таким образом, когда по широким каналам будет двигаться поток промывной
жидкости, из узких еще будет вытесняться щелок, который при выходе из слоя
массы смешивается с промывной жидкостью и разбавляется. Следовательно, чем
неравномерней размеры каналов и толщина слоя массы, тем в большей степени
будет проходить процесс смешения и понижения концентрации вытесняемого
щелока.
При вытеснении удаляется только свободный щелок, а щелок, находящийся
в полостях и порах, можно удалить только за счет диффузии – передвижения
ионов, молекул и коллоидных частиц, которая проходит из-за разности концентраций. Механическое перемешивание ускоряет процесс диффузии и является необходимым условием при промывке по методу смешения. При промывке по методу вытеснения масса не перемешивается, поэтому для быстрого и полного
прохождения диффузии необходимо хорошее сепарирование массы и равномерное распределение жидкости по сечению промывного аппарата.
При контакте со щелоком в процессе промывки волокна набухают и при
этом изменяют свои размеры. Стенки волокна утолщаются, а люмен суживается и
процесс промывки замедляется. Набухание волокна зависит от показателей про-
Лекция 5. Промывка целлюлозы.doc
20
мывной жидкости. Так, при рН 11,5 промывка проходит медленнее, чем промывной жидкостью с рН 9.
Целлюлозные волокна обладают большой адсорбционной способностью.
Адсорбционная способность целлюлозы обусловлена ее пористой структурой и
сильно развитой внутренней поверхностью, которая составляет 2,2…2,3 106 см2/г.
Центрами адсорбции на поверхности волокна являются полярные гидроксильные
группы. Они обладают обменной способностью по отношению к катионам металлов и создают отрицательный заряд.
Практическое значение при промывке сульфатной целлюлозы может иметь
только адсорбция ионов натрия. Установлено, что в зависимости от степени делигнификации целлюлозы адсорбция щелочи составляет 0,6…2,5 кг Na2O на 1 т
воздушно-сухой целлюлозы. Адсорбируемая щелочь не титруется, а затем при
дальнейшей обработке массы идет десорбция ионов натрия и возникают затруднения из-за наличия щелочи в растворе.
Промывка целлюлозы на барабанных фильтрах часто сопровождается
обильным образованием пены, которая очень стойка и трудно поддается разрушению. Пенообразование связано с наличием в черном щелоке поверхностноактивных веществ (ПАВ), а именно, сырого сульфатного мыла.
Пенообразование зависит от концентрации ПАВ, содержания сухих веществ
в щелоке и его температуры. При варке древесины лиственных пород сульфатного мыла образуется мало, но пенообразование значительное и обусловлено наличием продуктов распада углеводов.