УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКТИВАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ В ВАРОЧНОМ КОТЛЕ
ACTIVATOR OF CHEMICAL REACTIONS IN WOOD CHIPS DELIGNIFICATION IN BOILING POT

Изобретение предназначено для использования в целлюлозно-бумажной промышленности, а более конкретно в процессе делигнификации древесной щепы в варочном котле.
Известна технология делигнификации щепы при производстве целлюлозы в процессе медленной варки в непрерывно действующей установке «Камюр» [1]. Основным элементом установки является варочный котел цилиндрической формы производительностью 450-500 тонн в сутки, имеющий диаметр 4,7 метра и общую высоту 45 метров. В варочном котле установлены ситовые пояса. По высоте котла различают три температурные зоны: заварки, варки и диффузионной промывки.
Основным недостатком установки «Камюр» является значительная материалоемкость и низкая производительность варочного котла. Такое положение является следствием того, что процесс движения целлюлозной массы от зоны заварки до зоны промывки, занимающий 4,5 часа, осуществляется под действием гравитационных сил. Необходимость увеличения производительности, как правило, сопряжена с адекватным увеличением объема варочного котла. Так, при суточной производительности в 1200 тонн диаметр котла увеличивается до 6-7 м, а высота достигает 80-85 м.
Перспективным в сравнении с аналогом выглядит способ делигнификации древесной щепы практически любой реальной толщины, что достигается использованием турбулизации целлюлозной массы в варочном процессе. Аппаратное оформление последнего показано на примере кислотно-щелочной варки, где используется непрерывно действующий пульсационный аппарат вертикального типа [1]. Особенность конструкции заключается в том, что по высоте полой колонны (варочного котла) через определенные промежутки расположены неподвижные тарелки (тарельчатые насадки), перекрывающие все свободное сечение колонны. Тарелки имеют прямоугольные отверстия малого сечения, снабженные прямоугольными направляющими лопастями. В колонне предусмотрены цилиндрические патрубки для перемещения щепы с тарелки на тарелку сверху вниз. В установившемся процессе аппарат целиком заполнен массой, которая пульсирует под действием пульсатора (турбулизатора), соединенного с нижней частью колонны. От пульсатора к жидкости, заполняющей колонну, постоянно передается возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. Направляющие лопасти у малых отверстий тарелок добавляют к такому вертикальному возвратно-поступательному движению еще и вращательную составляющую, которая меняет свое направление на каждой тарелке, поскольку лопасти на соседних тарелках направлены в противоположные стороны. Движение от жидкости передается щепе. Постоянное интенсивно пульсирующее гидродинамическое воздействие на щепу, трение щепок друг о друга приводит к отделению сварившихся волокон поверхностного слоя, делигнифицирующихся при варке в первую очередь. При этом на щепе обнажается новая реакционная поверхность. Сварившиеся волокна проваливаются в те же отверстия, через которые снизу вверх движется кислород, непрерывно выводятся из аппарата с потоком циркулирующего щелока и отделяются от него в специальном выгрузочном устройстве. Частично сваренная щепа через патрубки, расположенные на краях тарелок, перемещается сверху вниз вплоть до полного превращения в сварившееся волокно. Требуемая степень делигнификации целлюлозы, при которой волокна отделяются от щепы, регулируется значениями факторов варки, из которых основным является интенсивность пульсаций, характеризуемая произведением двойной амплитуды (в мм) на их частоту. Этот показатель находится в интервале 1000-4000 мм/мин.
Турбулизация или наложение пульсаций на целлюлозную массу в варочном котле теоретически и практически должна привести к интенсификации процесса варки. Однако значительным препятствием для реализации такой технологии является конструктивная сложность пульсационного оборудования, практически распределенного по всему объему варочного котла.
Так, ряд тарельчатых насадок перекрывает сечение котла по высоте. Пульсационный аппарат (пульсатор) вынесен за пределы котла. Сложность конструкции сказывается и на качестве турбулизации. Тарельчатые насадки служат препятствием для распространения пульсаций, значительно снижая эффективность действия последних, особенно в верхней варочной части котла. Таким образом, следствием конструктивной сложности пульсатора (турбулизатора) является значительное снижение эффективности возбуждаемых пульсаций на процесс варки целлюлозы.
С другой стороны, технология турбулизации, предлагаемая в вышеописанном способе, не достигает полного эффекта активации физико-химических процессов, происходящих при варке. Причиной тому является тот факт, что пульсации, создаваемые в нижней части котла с помощью соответствующего аппарата, даже при незначительной высоте варочного котла будут затухать в силу значительного гидродинамического сопротивления целлюлозной массы. Процессу затухания будут способствовать также сжимаемость (рыхлость) щепы и, как указано выше, наличие тарельчатых насадок, расположенных по высоте варочного котла, которые, несмотря на сквозные перфорации, являются чисто физическим препятствием распространению пульсаций. Далее, смысл пульсаций заключается не в обычном создании волнового процесса в целлюлозной массе, а в ее перемещении в варочном котле на определенное расстояние (20-30 мм) для повышения эффективности делигнификации древесной щепы от взаимодействия с тарельчатыми насадками. Это значит, что пульсатор должен обладать мощностью, достаточной для подъема «столба» целлюлозной массы на указанное расстояние. Вес «столба», в частности в упомянутом аппарате «Камюр», достигает почти 300 тонн. А если учесть, что привод пульсатора, помимо подъема «столба» преодоления гидродинамического сопротивления целлюлозной массы, должен быть рассчитан и на преодоление инерционных нагрузок, то суммарная мощность привода пульсатора может достигать сотен киловатт.
Таким образом, предложенное устройство активации процесса делигнификации древесной щепы, предполагающее наложение пульсаций на целлюлозную массу во всем объеме варочного пространства котла, не способно решить эту задачу качественно и едва ли найдет практическое применение из-за ограничения производительности несоразмерным ростом энергозатрат на организацию турбулизации. Значительная конструктивная сложность пульсационного оборудования также является весомым препятствием для его промышленного освоения.
Таким образом, задачей изобретения является упрощение конструкции турбулизатора и повышение эффективности его воздействия на варочный процесс.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для активации физико-химических реакций, в процессе делигнификации древесной щепы в варочном котле, выполненном в виде турбулизатора, последний образован рядом параллельно установленных прямоугольных пластин, распределенных по всему поперечному сечению котла с образованием сквозных каналов для прохода целлюлозной массы, при этом часть пластин, через одну, смонтирована с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном движению целлюлозной массы. Подвижные пластины связаны с электромагнитным двигателем. Кроме того, вторая часть пластин может быть смонтирована, как и первая, т.е. подвижно и связана с электромагнитным двигателем. В зависимости от характера реакционной массы пластины могут иметь сквозные перфорации в виде цилиндрических отверстий и быть выполненными в виде решеток, образованных цилиндрическими и/или прямоугольными по сечению стержнями. Поверхности пластин, обращенные друг к другу, могут быть снабжены чередующимися впадинами и выступами.
На чертежах, прилагаемых к описанию, представлены: схематическое изображение турбулизатора для непрерывно действующего варочного котла целлюлозного производства (фиг.1); различные варианты исполнения пластин для турбулизатора (фиг.2-4).
В качестве примера выполнения устройства для активации физико-химических реакций в настоящем описании выбран турбулизатор для непрерывно действующего варочного котла целлюлозного производства.
Варочный котел 1 имеет цилиндрическую стенку 2. Он образован рядом параллельно установленных прямоугольных пластин 3, условно разделенных на нечетные - 4 и четные - 5. Эти пластины образуют сквозные каналы 6, сонаправленные с движением целлюлозной (реакционной) массы 7, перемещающейся в варочном котле в вертикальном направлении, указанном стрелками 8. Пластины 3 распределены по всему поперечному сечению котла 1, перекрывая его полностью. Длина всех пластин 3 при этом одинакова. Пластины, как четные - 4, так и нечетные - 5, имеют возможность возвратно-поступательного противофазного перемещения друг относительно друга в направлении, перпендикулярном движению целлюлозной массы. Четные пластины 4 объединены в единый блок посредством стержней 9, размещенных в направляющих отверстиях, выполненных в нечетных пластинах 5, которые также образуют блок, благодаря жесткой связи с общей осью 10. Привода обоих блоков пластин выполнены одинаково и располагаются они снаружи на стенке 2 варочного котла 1. Каждый привод представляет собой электромагнитный двигатель 11, якорь которого связан с одним из блоков пластин и опирается на двухстороннюю упругую опору, образованную набором тарельчатых пружин 12, опирающихся с одной стороны на стенку 2, а с другой - на перекладину 13 в корпусе 14, в котором установлен двигатель 11.
Работает турбулизатор следующим образом.
Поток целлюлозной массы 7 перемещается в процессе непрерывной варки в направлении стрелок 8, т.е. вниз. Турбулизатор может быть размещен в любом месте в полости варочного котла 1, но предпочтительной является зона варки, которая в установках типа «Камюр» расположена ниже верхних сит. Следует отметить, что в варочном котле может быть установлен не один турбулизатор. При прохождении целлюлозной массой каналов 6 последняя попадает в зону активной турбулизации, создаваемой пластинами 3, четные 5 и нечетные 4 из которых движутся в противофазе в режиме возвратно-поступательного, колебательного перемещения в направлении, перпендикулярном движению целлюлозной массы. Для организации такой работы пластин 3 управление электромагнитными приводами 11 осуществляется через единую систему управления (не показана). Наличие у приводов упругих систем в виде набора тарельчатых пружин 12 дает возможность обоим приводам работать в резонансном режиме, т.е. с минимальным потреблением энергии. Система управления предусматривает возможность гибкого и в широком диапазоне регулирования амплитуды колебаний и частоты пластин 3. Это обстоятельство имеет большое значение для выбора оптимального режима турбулизации в зависимости от особенностей технологического процесса варки, а точнее ее основных параметров, таких как температура, степень пропарки и т.п. С точки зрения физической генерируемая описанным образом турбулизация заключается в том, что имеет место локальное колебание давления в каналах 6, т.е. объемах, ограниченных подвижными пластинами. Учитывая низкую общую скорость перемещения целлюлозной массы в пределах варочного котла 1, колебание давления в независимых каналах 6 вызовет там значительное гидродинамическое возмущение (турбулизацию), которое найдет выражение в явлении типа «прилива-отлива». Предлагаемый способ турбулизации предусматривает колебания давления в сквозных каналах 6 с частотами, исчисляемыми десятками герц, что предполагает очень высокую степень активации целлюлозной массы за счет локальных высокоскоростных перетоков жидкой среды во время вышеупомянутых «приливов и отливов» в каналах 6. Это приводит к значительной интенсификации процесса отделения сварившихся волокон поверхностного слоя и обнажению новых реакционных поверхностей у древесной щепы, подвергаемой варке. Не менее значимым фактором, ускоряющим процесс делигнификации, является воздействие на щепу переменных давлений, изменяющихся по положительному ассиметричному циклу. Действие переменных нагрузок на щепу оказывает разрушающее воздействие в силу проявления в ней усталостных явлений, резко снижающих прочность внутренних связей. Это обстоятельство будет способствовать интенсификации процесса делигнификации щепы, в чем и состоит сущность процесса варки целлюлозы. Простейшие расчеты показывают, что критерий, используемый в прототипе для характеристики эффективности процесса делигнификации, в случае использования предлагаемого устройства турбулизации целлюлозной массы, может быть увеличен как минимум на порядок и достигать 40000-50000 мм/мин и даже более.
Выполнение пластин 3 со сквозной перфорацией (фиг.2) или с ребристой поверхностью (фиг.3), а также в виде решетки (фиг.4) способно значительно повысить активирующую способность предлагаемого устройства.
Применительно к процессу варки целлюлозы использование предлагаемого устройства для активации дает возможность в несколько раз уменьшить весовые и габаритные характеристики варочного котла, повысить производительность и улучшить качество целлюлозной массы. Кроме того, это устройство может быть с не меньшим эффектом применено в других технологических операциях производства целлюлозы, например отбеливания, облагораживания и т.д.
Источник информации
1. «ВНИИБ, Технология целлюлозно-бумажного производства», том 1, издательство Политехника, Санкт-Петербург, 2003 г.