湯 偉 楊鵬飛 黨世紅

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·置換蒸煮·

置換蒸煮偏流問題的分析與解決辦法

湯 偉1楊鵬飛2，*黨世紅2

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西西安,710021)

針對置換蒸煮偏流問題難以消除這一難題,本文在分析蒸煮工藝和活塞流的基礎上,從裝備和控制的角度出發(fā)提出了一種解決方案,通過改變進液方式和破壞通道相結(jié)合的方式,使得在整個蒸煮過程中液體都以近乎活塞流的方式在蒸煮鍋內(nèi)流動,防止偏流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

置換蒸煮；活塞流；通道；偏流

置換蒸煮是一種節(jié)能環(huán)保的新型間歇制漿技術,與傳統(tǒng)制漿方式相比具有卡伯值低、紙漿得率高、漂白藥品少、蒸汽和化學品消耗少,漿料品質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點[1-3]。置換蒸煮能夠生產(chǎn)出穩(wěn)定漿料的理論依據(jù)就是液體在蒸煮鍋內(nèi)運動是以活塞流的方式進行,沒有偏流存在,木片與藥液接觸均勻?；钊饔址Q平推流、栓塞流,是理想流動的一種,其特征是：在流動方向上即軸向不存在混合,而在徑向則達到完全混合,因而在垂直于流動方向的橫截面上,其流速一致,濃度均勻。但是在工業(yè)實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)存在偏流現(xiàn)象,偏流的形成導致所有的液體都流向這個偏流通道,導致最終蒸煮的結(jié)果就是出現(xiàn)局部爛漿、局部漿夾生,用這種夾生漿或者爛漿所制得的紙產(chǎn)品會出現(xiàn)褶皺和空洞等紙病。本研究在分析蒸煮工藝和活塞流的基礎上,從裝備和控制的角度出發(fā)提出解決辦法,以保證藥液在蒸煮鍋剖面上作液體活塞運動。

1 偏流現(xiàn)象分析

目前我國制漿行業(yè)所用的置換蒸煮系統(tǒng)大多是根據(jù)國外系統(tǒng)改造而來,可分為兩種。一種是美國CPL公司提供的系統(tǒng)，另一種是加拿大GL&V公司提供的系統(tǒng)。CPL公司提供的置換蒸煮系統(tǒng)分為裝鍋、初級蒸煮、中級蒸煮、加熱蒸煮、置換、放鍋共6步。GL&V提供的置換蒸煮系統(tǒng)制漿分為裝鍋、通汽和水解、溫充、熱充、加熱蒸煮、洗滌黑夜置換和卸料共7步。二者雖然步驟名稱不一樣,但是原理基本相同。本研究以GL&V公司生產(chǎn)溶解漿的置換蒸煮系統(tǒng)進行討論,圖1是該系統(tǒng)的設備組成及工藝流程示意圖。從圖1中可以看出，這套系統(tǒng)包含有液體的填充、置換和循環(huán)等工藝流程,筆者希望在這些步驟里面液體都是以活塞流的方式流動,這樣蒸煮鍋內(nèi)木片接觸藥液的量和時間均等,所獲熱能和化學能均勻,脫木素程度也就接近相等,使得蒸煮結(jié)束時鍋內(nèi)的漿料品質(zhì)均勻穩(wěn)定,不會出現(xiàn)夾生漿和爛漿的現(xiàn)象,從而提高成品率[4]。

圖1 置換蒸煮設備組成及流程示意圖

圖2 理想狀態(tài)下置換蒸煮液體流動示意圖

圖3 置換蒸煮實際液體流動示意圖

1.1 工藝分析

置換蒸煮系統(tǒng)本身在液體填充、置換、循環(huán)階段都采取底部進液,使得漿料在自身還有鍋內(nèi)已有料液的重力作用下緩慢上升,一定程度上防止了液體的亂竄,希望如此便可以讓液體在運動過程中都呈活塞狀態(tài),其理想狀態(tài)流動如圖2所示。但是實際過程由于鍋內(nèi)木片并不是特別勻稱極易形成偏流通道,尤其是加熱蒸煮階段,液體從蒸煮鍋中部由循環(huán)泵抽出,經(jīng)過加熱器加熱后分別從蒸煮鍋頂部和底部返回至鍋內(nèi),形成加熱循環(huán)(見圖2(c))。對于從鍋底部而入的熱循環(huán)液體在重力的作用下緩緩向上運動,而從蒸煮鍋頂部進入的液體在自身重力的作用下向下竄動極易形成偏流通道,導致回流熱液體偏流,最終造成蒸煮不均勻現(xiàn)象即局部夾生漿、局部爛漿的發(fā)生。所以實際過程液體流動如圖3所示,有通道的地方流量大、流速快,并不是圖2所示的理想狀態(tài)。而現(xiàn)有工藝并沒有檢測和破壞偏流通道的措施,一旦偏流通道行成就會出現(xiàn)蒸煮問題。

實際上可以根據(jù)溫度來判斷液體是否偏流,比如在置換階段,若鍋底部溫度80℃,中部170℃,上部170℃,這就是比較均勻的液體活塞作用,不存在偏流問題。若出現(xiàn)鍋的底部溫度150℃,中部130℃,鍋上部170℃,這就說明液體跑偏了,水肯定會向阻力最少的地方流動,一旦發(fā)生偏流，所有的液體都流向這個偏流通道。偏流通道肯定是不可避免的,因此需要在置換蒸煮系統(tǒng)中設置偏流通道的檢測和破壞程序。

1.2 維持活塞流的條件分析

活塞流是一種理想的液體流動如圖4所示,任意截面的物料如同汽缸活塞一樣在反應器中移動,雖然現(xiàn)實中不存在,但還是希望液體在流動過程中接近活塞流的狀態(tài)。相關研究表明，當長徑比(L/D)>100,雷諾系數(shù)(Re)>105時,流體流動可十分接近活塞流。長徑比大可以獲得高線速；雷諾系數(shù)高有兩個作用,一是達到穩(wěn)定的湍流,使主體流速遠高于逆向擴散速度,防止軸向偏流；二是克服內(nèi)摩擦造成的徑向速度梯度,使得橫截面上流速和流體性質(zhì)均勻。在工業(yè)上常用的管式反應器,包括多管式和列管式等反應器都屬于這種流型。對于不是管形的設備(如圓筒形、塔形之類的),增加長徑比都有利于減少偏流[5- 6]。

圖4 理想的液體流動示意圖

除此之外,國內(nèi)對于乳化塔的研究[7- 8]還表明了一點,就是如果可以消除起始橫截面上的動能差,使流體初始分布均勻,也可以形成活塞流。一般在工業(yè)實際應用中,由于入口流體動能較大,流體成流股狀沖入器內(nèi),使得起始截面上中心流體動能大、流速高,周邊流體動能少、流速低,從而造成流動狀態(tài)的不均勻。而置換蒸煮用的蒸煮鍋上下高度16 m,直徑4 m,Re也遠小于105,其底部和上部進液口也是錐形放大,起始橫截面的速度差值也較大,特別不滿足活塞流的成形條件,因此必須從蒸煮鍋的結(jié)構(gòu)方面做出改善。其次為了保持蒸煮鍋內(nèi)的活塞流狀態(tài),應保持藥液在管道中流動時也成活塞流狀態(tài),研究表明，如果管壁處的層流層厚度?s遠小于管道的直徑D(?s<

(1)

(2)

(3)

由公式(1)(2)(3)可以推出：

(4)

式中,f為達西摩擦因數(shù)；?s為層流厚度；D為管道直徑；μ*為摩擦速度；V為流體速度；υ為運動黏度。因此要想保持管道中的活塞流狀態(tài),最有效的方法就是應該盡可能提高輸送速度。新廠在管路設計時應該選用較大直徑的進液管。

2 偏流問題的解決辦法

2.1 設備改進

現(xiàn)有的蒸煮鍋在上、中、下進液管口設有篩板,如圖5所示,作用是為了防止液體循環(huán)過程中將木片引流出來,其結(jié)果是挨著管口部分的液體流量大、流速高,而遠離管口的一邊流量小、流速低,極易形成偏流。通過上面的分析可以知道,結(jié)構(gòu)方面有兩種方法來實現(xiàn)理想活塞流狀態(tài),一是改變鍋體尺寸,使得鍋的長徑比(L/D)>100,要想完全達到這個比值,很困難也不現(xiàn)實,因為蒸煮對象是木片,置換蒸煮要求很大的裝鍋量,計算所得蒸煮鍋的高度值太大。但是在設計新蒸煮鍋時應該考慮理想流動對長徑比的要求,盡可能的提高長徑比,而不應該單是從蒸煮鍋強度和加工難度來考慮。二是消除起始橫截面上的動能差,相比較這種方法可行性比較高,如在蒸煮鍋底部、還有上部進液口部位安裝環(huán)形液體分布器(見圖6),去掉原有的篩板,使加入的液體均勻分布在木片表面,然后借助木片本身的分散作用,減少液體在初始橫截面上的動能差,使流體分布均勻,還可以起到篦子的作用。

圖5 蒸煮鍋的上、中、下進液管口篩板

圖6 環(huán)形液體分布器

另外蒸煮鍋配套的進液管道直徑要增大,使進料速度提高。目前四川銀鴿竹漿產(chǎn)業(yè)已經(jīng)將1號蒸煮鍋增加了環(huán)形液體分布器,進液管道直徑改到了40 cm,進液速度由原來的600 m3/h改到了1000 m3/h,實際結(jié)果比較好,大大減少了夾生漿的產(chǎn)生。

2.2 設定相應的控制方案

填充過程(溫充、熱充)和置換過程中,液體都是從鍋底的進液口流入,如圖7所示,在鍋內(nèi)和木片進行熱交換之后從上部流出。對于溫充和熱充過程,都是使用熱液體從蒸煮鍋外面充入鍋內(nèi)，將鍋內(nèi)溫度相對低的液體置換到溫黑液槽,這個過程中，鍋內(nèi)溫度應該是從下往上依次增大，即儀表示數(shù)TI-156>TI-155>TI-154,而置換過程正好相反,是用低溫液體將蒸煮鍋內(nèi)的高溫液體置換出去,儀表示數(shù)應該是TI-156

圖7 蒸煮鍋液體流動示意圖

TI-156>TI-155>TI-154、TI-156

本研究提出將原先蒸煮鍋的鍋體循環(huán)泵換成雙向螺桿泵,然后設計上下循環(huán)程序來進行偏流通道破壞。下循環(huán)即關閉進液閥HIC-123和上部循環(huán)閥HIC-159,打開循環(huán)泵和下部循環(huán)閥HIC-158,讓液體在鍋內(nèi)進行下循環(huán),循環(huán)泵正向轉(zhuǎn)30 s然后反轉(zhuǎn)30 s,這樣就先破壞了底部形成的偏流通道；之后進行上循環(huán)即關閉循環(huán)閥HIC-158,打開循環(huán)閥HIC-159,循環(huán)泵正向轉(zhuǎn)30 s然后反轉(zhuǎn)30 s,破壞上部偏流通道。在進行完偏流通道破壞程序之后再恢復填充、置換和加熱,控制邏輯圖如圖8所示。

圖8 破壞偏流通道控制邏輯示意圖

3 結(jié) 語

通過對置換蒸煮工藝過程中液體流動方式和活塞流的分析,總結(jié)出了置換蒸煮產(chǎn)生偏流問題的原因,并從裝備和控制角度出發(fā),通過改變蒸煮鍋進液方式和上下循環(huán)破壞偏流通道的方式進行蒸煮,保證在整個工藝過程中液體流動接近于活塞流的方式,預防偏流通道的發(fā)生。該方法在四川銀鴿竹漿紙業(yè)有限公司的初步應用表明,大大減少了夾生漿的產(chǎn)生,說明該方法有效。如何從工藝、管道改造、機械設計等方面做的更佳完善,以及設計出更加有效的控制算法來避免蒸煮過程的偏流,還值得相關學者進一步研究。

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(責任編輯：常 青)

Analysis & Solution of Flow Leaning in Displacement Digester System

TANG Wei1YANG Peng-fei2,*DANG Shi-hong2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

Aiming at the difficulties of eliminating flow leanning in displacement digester system based on the analysis of cooking process and plug flow, this paper proposed a method to prevent flow leaning by changing inflow way and destroying channels to keep the liquor flow as near plug flow during cooking．

displacement digester； plug flow； channel； flow leaning

湯 偉先生，博士，教授；主要研究方向：制漿造紙全過程自動化、工業(yè)過程高級控制、大時滯過程控制及應用。

2016- 04-11(修改稿)

國家國際科技合作項目(2010DFB43660) ；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目(2014KCT-15)。

TS733+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.11.009

*通信作者：楊鵬飛先生，E-mail：401371274@qq.com。

(*E-mail: 401371274@qq.com)