1.Общая характеристика процесса промывки целлюлозы. 2.Основные процессы и явления при промывке 3.Показатели процесса промывки. 4. Техника промывки. Оборудование для промывки целлюлозы.
Целью промывки - максимальное извлечение из целлюлозной суспензии растворенных органических и минеральных веществ при минимальном разбавлении щелока; Сухой остаток, находящийся в жидкой фазе, состоит из органических и минеральных веществ; Относительное содержание сухих веществ в щелоке зависит от: - выхода целлюлозы; - расхода активной щелочи на варку (сульфатная варка); - вида основания (сульфитная варка);
При сульфитной варке в варочном котле после конечной сдувки находится 6-8 м 3 сульфитного щелока; При сульфатной варке, в зависимости от гидромодуля варки, 4-6 м 3 черного щелока; Щелок распределен в массе следующим образом: - 75 % - свободно стекающий щелок, находящийся между волокнами; - 15-20 % щелока находится в каналах волокон; - примерно 5 % - в порах клеточной стенки.
отжим (свободно стекающий щелок) фильтрация (вытеснение) смешение (диффузия в каналах, полостях, стенках волокон)
Физико-механические процессы при промывке: √ отжим щелока из целлюлозной массы; √ фильтрация щелока сквозь целлюлозную массу; Физико-химические явления: √ диффузия растворенных веществ из целлюлозного волокна; √ адсорбцию волокном растворенных в щелоке веществ; √ вспенивание щелока.
При механическом отжиме полнота отделения щелока ограничена из-за возрастания внутреннего капиллярного давления и уменьшения диаметра капилляров в результате спрессовывания массы; Высота поднятия жидкости в капилляре ( h ) определяется по следующей формуле : h = 4 σ / ρ d, где: σ – поверхностное натяжение жидкости; ρ – плотность жидкости; d – диаметр капилляра. Внутри капиллярное давление определяется по формуле: р= h· ρ, или р= 4 σ / d;
Давление при отжиме, МПа Сульфатная целлюлоза Сульфитная целлюлоза Отжим воды Отжим щелока Отжим воды Отжим щелока 0,0 23.0 23.6 26.6 26.4 0.5 1.80 1.85 1.83 1.95 1.0 1.52 1.62 1.53 1.70 2.0 1.28 1.31 1.30 1.33 10.0 0.81 0.85 0.83 0.85 15.0 0.65 0.69 0.67 0.70
Фильтрация - перемещение жидкости через слой массы, находящийся на фильтрующей поверхности. Скорость фильтрации определяется уравнением Пуазейля: где ∆ p - разность давлений по сторонам фильтрующего слоя; l - толщина фильтрующего слоя; R - коэффициент сопротивления фильтра; µ - динамическая вязкость жидкости; φ – коэффициент живого сечения; фильтра d – средний диаметр капилляров в фильтрующем слое.
q = ∆p• φd 2 / l•32µ Коэффициент сопротивления фильтра зависит от вязкости фильтруемой жидкости и диаметра канальцев в фильтрующем слое; Вязкость щелока снижается с понижением концентрации сухих веществ и с повышением температуры. При использовании для промывки горячей воды, скорость промывки возрастает; Температура промывной жидкости определяется величиной вакуума. Чем выше величина ∆p, тем ниже температура промывной жидкости
q = ∆p• φd 2 / l•32µ С повышение перепада давления ускорение фильтрации происходит только до определенной величины ∆ p, называемой критическим давлением (0.25…0.30 МПа). При дальнейшем увеличении перепада давления целлюлозная масса сжимается, и коэффициент сопротивления фильтра R растет по степенной зависимости: R = A∆p n, где: А - постоянный коэффициент; n – показатель сжимаемости, равный 0.40…0.45. Зависит от числа каппа целлюлозы – у мягких целлюлоз показатель сжимаемости выше, чем у жестких.
Целлюлоза с высоким значением числа каппа имеет жесткие волокна, образует рыхлую папку, что обеспечивает лучшие условия отжима и фильтрации, площадь фильтрации сокращается; Толстая клеточная стенка жесткой целлюлозы затрудняет протекание диффузии, количество ступеней промывки возрастает; При промывке целлюлозы с низким значением числа каппа, замедляется процесс фильтрации из-за образования плотной папки, процессы диффузии протекают быстро; Короткие волокна лиственной целлюлозы образуют плотную папку, что затрудняет процесс фильтрации при промывке; При промывке лиственной целлюлозы выбирают производительность промывного оборудования, увеличивая площадь фильтрации на 10…15 % по сравнению с расчетной, а количество ступеней промывки сокращается
Диффузия - это процесс перемещения молекул, ионов, коллоидных частиц за счет разности концентраций; Скорость диффузии в стационарных условиях определяется первым законом Фика: где dG / d – количество вещества, продиффундировавшего в единицу времени; F – площадь диффузии; D – коэффициент диффузии; dC / dX – градиент концентрации, снижение концентрации диффундирующих веществ на единицу длины в направлении диффузии.
Скорость диффузии возрастает с увеличение площади поверхности- целлюлозную суспензию перед промывкой сепарируют, то есть разделяют на волокна; Перед промывкой целлюлозу высокого выхода, полуцеллюлозу подвергают рафинирующему размолу; С увеличением температуры скорость диффузии возрастает. Температура промывной жидкости - 60…80 0 С.
Адсорбционная способность целлюлозы – обусловлена пористой структурой; сильно развитой внутренней поверхностью и отрицательным зарядом поверхности; в кислой среде центрами адсорбции являются полярные гидроксильные группы; в щелочной среде - ОН и СООН группы; предел адсорбции целлюлозой ионов металлов пропорционален величине рН раствора; с увеличением валентности катионов металлов адсорбция их возрастает. В зависимости от числа каппа адсорбция щелочи составляет 0. 6…2.5 кг Na 2 O /т целлюлозы или 1.4... 5.7 кг в ед. Na 2 SO 4 ; адсорбированные катионы натрия не могут быть удалены при промывке и являются неизбежной потерей щелочи при промывке.
вызывает большие затруднения при промывке целлюлозы на барабанных вакуум-фильтрах; причина вспенивания щелоков - присутствие в них органических поверхностно-активных веществ (ПАВ); в сульфитном щелоке ПАВ - лигносульфонаты; в черном щелоке ПАВ - сульфатное мыло; механизм образования пены - ПАВ понижают поверхностное натяжение на границе соприкосновения щелока с воздухом и адсорбируются в поверхностном слое, образуя прочные пленки, окружающие воздушные пузырьки; для борьбы с пеной используют дорогостоящие пеногасители; создано промывное оборудование, исключающее попадание воздуха в щелок.
Цель добавки современного пеногасителя – удалить воздух из целлюлозной суспензии; в результате - снижается или предотвращается пенообразование, улучшаются условия формования папки и обезвоживание папки. Дозировка пеногасителей Расход пеногасителей, кг/т Уровень расхода масляный силиконовый менее 1.0 менее 0.25 низкий 1.0…1.5 0.25…0.40 норма 1.5…3.0 0.40…0.80 высокий более 3.0 более 0.80 очень высокий
Степень отбора сухих веществ или эффективность промывки; Относительная концентрация; Степень разбавления щелока; Относительный объем; Фактор разбавления; Коэффициент вытеснения
где G – количество сухих веществ в щелоке, отбираемом с первой ступени промывки, кг/т G 0 – количество сухих веществ в щелоке после варки, кг/т; C, C 0 – концентрации сухих веществ в отобранном и исходном щелоках, соответственно
η = (V • C – W • C w )/(V 0 • C 0 ) где V – объем щелока, отбираемого с первой ступени промывки, м 3 /т V 0 – объем щелока после варки, м 3 /т; C, C 0 – концентрации сухих веществ в отобранном и исходном щелоках, соответственно; W – объем промывной жидкости, м 3 /т; С w – концентрация сухих веществ в промывной жидкости.
f = C / C 0 = 0.65…0.80 где: C – концентрация сухих веществ в отбираемом щелоке, % ; C 0 – концентрация сухих веществ в щелоке после варки ; Степень разбавления щелока может быть выражена зависимостью: k = 1 / f
характеризует степень разбавления щелока, отбираемого с первой ступени промывки: m = V / V 0 = 1.2…1.4 ; где: V – масса щелока, отбираемого с первой ступени промывки, т/ т; V 0 - масса щелока в конце варки целлюлозы, т/ т
V всегда больше V 0 на фактор разбавления ( F ) при промывке целлюлозы; F - объем промывной жидкости (в м 3 /т), которая поступает в щелок при промывке целлюлозы, т.е. F = V - V 0 Фактор разбавления также можно рассчитать по формуле: F = W 0 – V i, где: W 0 - расход воды на промывку, м 3 /т V i – объем фильтрата в промытой массе, м 3 /т
DR = (Cv- Cs) / (Cv- Cw), где: Cv - концентрация сухих веществ в щелоке в ванне фильтра; Cs - концентрация сухих веществ в целлюлозной папке после промывки; Cw – концентрация сухих веществ в промывном фильтрате
Отношение промывки R Относительный объем W Фактор разбавления DF ( Dilution Factor ) Степень разбавления щелока Коэффициент вытеснения DR (Displacement Ratio) Норден-фактор E или эффективность промывки Степень отбора щелоков Y
Y 1 – концентрация сухих веществ в щелоке, выводимом из системы промывки; Y 2 – концентрация сухих веществ в щелоке или промывной воде; X 0 – концентрация сухих веществ в щелоке, поступающей с массой на промывку; X 1 – концентрация сухих веществ в щелоке, уходящим с промытой массой; L 0 – объем щелоков, поступающих с массой на промывку; L 1 – объем щелоков, уходящих с промытой массой; V 1 – объем щелоков, поступающих на использование; V 2 – объем щелоков (воды), подаваемых на промывку.
Отношение промывки R R = V 2 / L 1 или R = W/V i Относительный объем W W = V 1 / L 0 или m = V/V 0
G – потери сухих веществ при промывке, кг/т; V 1 – объем щелоков, поступающих на использование X 0 – концентрация сухих веществ в щелоке, поступающей с массой на промывку; Y 1 – концентрация сухих веществ в щелоке, выводимом из системы промывки; DF = V 2 – L 1 или DF = W- V i
D = V 1 – L 0 Y 1 / X 0 или k = 1 / f Физически этот показатель характеризует то количество жидкости, которое попадает в исходный щелок при промывке ; Чем выше DF ( D ), тем выше эффективность промывки и ниже концентрация отбираемого щелока.
Фактор вытеснения соответствует объему щелока, отбираемого при промывке без разбавления; В формуле DR теор n – число ступеней промывки. Чем выше DR, тем выше концентрация отбираемого щелока. DR = (Cv- Cs) / (Cv- Cw),
показывает, какому количеству идеальных ступеней промывки смешением соответствует данный промывной аппарат или промывная система; под идеальной промывной системой понимают такую систему, при которой концентрации отбираемого щелока и щелока, уходящего с массой, одинаковы.
Вид оборудования Концентрация промытой массы,% Величина Е 1-зонный фильтр 12…15 2…3 2-х зонный фильтр 12…15 3.5…5.0 Фильтр пресс 35 0.8…1.0 диффузор 10 3.0…4.5 Столовый фильтр (5 ст.) 11 10…15 Фильтр DD 12…15 12…14
Степень отбора щелоков позволяет определить количество сухих веществ щелока, направляемых на использование, т.е. эффективность промывки. η = G/G 0 = V·C/V 0 C 0
промывка целлюлозы производится с использованием многоступенчатой противоточной схемы (рис.1, 2) промывные установки с барабанными вакуум-фильтрами включают 3…4 ступени промывки; Количество ступеней определяется способом опорожнения варочного котла, числом каппа целлюлозы; При «вымывке» отбор крепкого щелока производится из котла, и для промывки используется 3-х ступенчатая промывная установка; При «выдувке» промывка осуществляется на 4-х ступенчатой установке. Концентрация массы при поступлении на промывную установку поддерживается в пределах 1.0…1.2 %, концентрация массы, сходящей с фильтра – 10…14 %; Количество промывной горячей воды (60…80 0 С), подаваемой на спрыски последнего фильтра, составляет 7…10 м 3 /т целлюлозы; На остальных фильтрах в качестве промывной жидкости используется фильтрат с последующей ступени промывки (противоток).
Промывная жидкость подается на последнюю ступень промывки, на предыдущих ступенях целлюлоза промывается фильтратом со следующей ступени
Концентрации поступающей массы - 0.7…1.5 % Под поверхностью барабана находятся каналы, сваренные вместе. Наружная поверхность барабана покрыта перфорированным металлическим листом, обтянутым металлической или синтетической сеткой. Отсасывающие трубки – короткие. Когда барабан погружается в массу, каналы заполняются фильтратом под действием гравитации. Далее фильтрат движется по каналам, вытесняя воздух из каналов и отсасывающих трубок в отсасывающую головку, из которой воздух удаляется в газовое пространство под колпаком фильтра. Фильтрат, следующий за воздухом, удаляется из отсасывающей головки в бак фильтрата.
1.Цель промывки 2.Как распределяется щелок в массе? 3.Назовите основные способы промывки. 4.Назовите физико-механические процессы при промывке. 5.Назовите физико-химические явления при промывке. 6.Почему нельзя хорошо промыть целлюлозу, используя только отжим? 7.Как можно увеличить скорость фильтрации? 8.Выберите правильный уровень температуры промывной жидкости при промывке на низковакуумных, высоковакуумных фильтрах, фильтрах давления: 90 0 С; 80 0 С; 70 0 С. 9.Почему при промывке жесткой целлюлозы необходимо увеличить количество ступеней промывки? 10.Почему при промывке целлюлозы с низким значением числа каппа и лиственной целлюлозы необходимо увеличить поверхность фильтрации? 11.Какие факторы влияют на скорость диффузии? 12.Как можно уменьшить потери щелочи при промывке за счет адсорбции? 13.Какие вещества в щелоках вызывают пенообразование при промывке?
14. Для чего при промывке на фильтрах добавляют пеногасители? 15.Что понимаем под эффективностью промывки? 16.Что характеризует относительная концентрация? 17.Что характеризует относительный объем? 18.Что понимаем под термином «фактор разбавления»? 19.Что понимаем под термином «коэффициент вытеснения ( DR )»? 20.Как влияет величина фактора разбавления на эффективность промывки? 21.Дайте определение показателю промывки «Норден-фактор». 22.Почему используют противоточные, многоступенчатые схемы промывки? 23.Преимущества промывки в диффузорах атмосферных и давления. 24.Преимущества фильтров GasFree. 25.Преимущества DD фильтров. 26.Преимущества пресс фильтров.
