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(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)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(chǔ)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(jìn)液方式和破壞通道相結(jié)合的方式,使得在整個(gè)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(dòng),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(shù),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(xué)品消耗少,漿料品質(zhì)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)[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(yùn)動(dòng)是以活塞流的方式進(jìn)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(dòng)的一種,其特征是：在流動(dòng)方向上即軸向不存在混合,而在徑向則達(dá)到完全混合,因而在垂直于流動(dòng)方向的橫截面上,其流速一致,濃度均勻。但是在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)存在偏流現(xiàn)象,偏流的形成導(dǎo)致所有的液體都流向這個(gè)偏流通道,導(dǎo)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(huì)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(chǔ)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(yùn)動(dòng)。

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(jìn)行討論,圖1是該系統(tǒng)的設(shè)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(dòng),這樣蒸煮鍋內(nèi)木片接觸藥液的量和時(shí)間均等,所獲熱能和化學(xué)能均勻,脫木素程度也就接近相等,使得蒸煮結(jié)束時(shí)鍋內(nèi)的漿料品質(zhì)均勻穩(wěn)定,不會(huì)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(shè)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(dòng)示意圖

圖3 置換蒸煮實(shí)際液體流動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)過程中都呈活塞狀態(tài),其理想狀態(tài)流動(dòng)如圖2所示。但是實(shí)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(yùn)動(dòng),而從蒸煮鍋頂部進(jìn)入的液體在自身重力的作用下向下竄動(dòng)極易形成偏流通道,導(dǎo)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(shí)際過程液體流動(dòng)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(huì)出現(xiàn)蒸煮問題。

實(shí)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(huì)向阻力最少的地方流動(dòng),一旦發(fā)生偏流，所有的液體都流向這個(gè)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(shè)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(dòng)如圖4所示,任意截面的物料如同汽缸活塞一樣在反應(yīng)器中移動(dòng),雖然現(xiàn)實(shí)中不存在,但還是希望液體在流動(dòng)過程中接近活塞流的狀態(tài)。相關(guān)研究表明，當(dāng)長徑比(L/D)>100,雷諾系數(shù)(Re)>105時(shí),流體流動(dòng)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(gè)作用,一是達(dá)到穩(wěn)定的湍流,使主體流速遠(yuǎn)高于逆向擴(kuò)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(yīng)器,包括多管式和列管式等反應(yīng)器都屬于這種流型。對于不是管形的設(shè)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(dòng)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(diǎn),就是如果可以消除起始橫截面上的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中,由于入口流體動(dòng)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(dòng)能大、流速高,周邊流體動(dòng)能少、流速低,從而造成流動(dòng)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(yuǎn)小于105,其底部和上部進(jìn)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(yīng)保持藥液在管道中流動(dòng)時(shí)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(yuǎn)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(dá)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(yùn)動(dòng)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(yīng)該盡可能提高輸送速度。新廠在管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選用較大直徑的進(jìn)液管。

2 偏流問題的解決辦法

2.1 設(shè)備改進(jìn)

現(xiàn)有的蒸煮鍋在上、中、下進(jìn)液管口設(shè)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(yuǎn)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(shí)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(dá)到這個(gè)比值,很困難也不現(xiàn)實(shí),因?yàn)檎糁髮ο笫悄酒?置換蒸煮要求很大的裝鍋量,計(jì)算所得蒸煮鍋的高度值太大。但是在設(shè)計(jì)新蒸煮鍋時(shí)應(yīng)該考慮理想流動(dòng)對長徑比的要求,盡可能的提高長徑比,而不應(yīng)該單是從蒸煮鍋強(qiáng)度和加工難度來考慮。二是消除起始橫截面上的動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(jìn)液管口篩板

圖6 環(huán)形液體分布器

另外蒸煮鍋配套的進(jìn)液管道直徑要增大,使進(jìn)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(jìn)液管道直徑改到了40 cm,進(jìn)液速度由原來的600 m3/h改到了1000 m3/h,實(shí)際結(jié)果比較好,大大減少了夾生漿的產(chǎn)生。

2.2 設(shè)定相應(yīng)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(jìn)液口流入,如圖7所示,在鍋內(nèi)和木片進(jìn)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(gè)過程中，鍋內(nèi)溫度應(yīng)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(yīng)該是TI-156

圖7 蒸煮鍋液體流動(dòng)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(shè)計(jì)上下循環(huán)程序來進(jìn)行偏流通道破壞。下循環(huán)即關(guān)閉進(jìn)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(jìn)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(jìn)行上循環(huán)即關(guān)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(jìn)行完偏流通道破壞程序之后再恢復(fù)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(dòng)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(jìn)液方式和上下循環(huán)破壞偏流通道的方式進(jìn)行蒸煮,保證在整個(gè)工藝過程中液體流動(dòng)接近于活塞流的方式,預(yù)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(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)等方面做的更佳完善,以及設(shè)計(jì)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(guān)學(xué)者進(jìn)一步研究。

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(責(zé)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(dòng)化、工業(yè)過程高級控制、大時(shí)滯過程控制及應(yīng)用。

2016- 04-11(修改稿)

國家國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB43660) ；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)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)