Целлюлозно-бумажная промышленность является крупнейшим потребителем круглых лесоматериалов, которые подвергаются комплексной переработке [15]. Современные требования к качеству продукции и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследования всех аспектов производства целлюлозы.

Круглые лесоматериалы подвергаются раскрою на отрезки длиной 1,2 м, называемые балансами. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы исследовано в работах [2, 12]. Наличие короткомеров (отрезков длиной менее 0,8 м) в потоке балансов, поступающих на окорку в корообдирочный барабан, а после него в рубительную машину, приводит к потерям древесины и к снижению качества щепы [11]. Одна часть потерь в виде лома и отщепов образуется при окорке балансов [6]. Практика и результаты численного моделирования [3, 7] указывают на возможность уменьшения потерь, но не на полное их исключение. Часть потерь в виде некондиционных крупных и мелких древесных частиц образуется при измельчении балансов в рубительной машине. Изъятие короткомеров из общего потока балансов позволяет уменьшить эти потери [12]. Техническое решение рольганга, обеспечивающего интенсификацию сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине, предложено в [16]. Применение этого решения позволяет реализовать некоторые возможности ресурсосбережения [11, 10].

Однако полностью избавиться от короткомеров не удаётся, поскольку любой баланс на финишной стадии измельчения в рубительной машине неизбежно превращается в короткомер. Моделирование этой ситуации впервые рассмотрено в статье [1]. Измельчение короткомеров в существующих рубительных машинах служит одной из причин появления избыточно крупных и мелких частиц в щепе. Если избыточно крупные частицы древесины поступают на варку целлюлозы, то появляются так называемые непровары целлюлозы. Мелкие же частицы поглощают большое количество реактивов и также ухудшают качество целлюлозы. Чтобы получить технологическую щепу [10], измельченная древесина на сортировочной установке разделяется на фракции по критерию крупности частиц [17]. Щепа на выходе из рубительной машины представляет собой полидисперсный сыпучий материал. Математическая модель процесса фракционирования полидисперсного сыпучего материала методом рассева предложена в [5, 14]. Техническое решение для реализации этих теоретических результатов предложено в установке по патенту [15].

Технологическая щепа [10], являясь продукцией древесно-подготовительной стадии, используется в качестве основного сырья на очередной стадии производства целлюлозы. Щепа поступает на термохимическую обработку с целью делигнификации и получения целлюлозы. В настоящее время целлюлозу производят, как правило, используя сульфатный процесс (крафт-процесс). Основная стадия этого процесса, сульфатная варка, заключается в обработке древесной щепы белым щёлоком – водным раствором, который содержит гидроксид натрия, сульфид натрия и другие соли натрия. В процессе варки состав белого щёлока существенно меняется – концентрация щёлочи уменьшается, в растворе появляются органические соединения и натриевые соли неорганических и органических кислот, что более подробно рассмотрено в [17]. Достоинства сульфатного метода: возможность использования щепы практически всех пород древесины; высокие механические свойства сульфатной целлюлозы; возможность регенерации щелочи, расходуемой на варку целлюлозы.

Далее рассматриваются вопросы совершенствования технологии осветлении белого щелока в производстве сульфатной целлюлозы.

Материалы и методы исследования

При регенерации щелочи самым продолжительным является процесс осветления щелоков [4, 17]. Для осветления щелоков часто используется метод осаждения и соответствующее оборудование (осветлитель). В целях совершенствования осветлителей был выполнен комплекс исследований [4].

Известно, что в осветлителе можно выделить определённые слои, различающиеся содержанием твердых веществ и протекающими в них процессами: слой осадка, слой осаждения, слой осветления, а также промежуточные слои [13, 19, 21]. Баланс исходной суспензии , осветленного щелока и шлама (м3/ч) в некотором i-м слое может быть представлен следующим уравнением:

(1)

Масса твердых веществ, проходящих через i-й слой, равна их массе в исходной суспензии и в удаляемом шламе:

(2)

где Qисх и Qшл– соответственно расход подаваемой в осветлитель суспензии и расход откачиваемого из осветлителя шлама, м3/ч; Ci, Cисх и Cшл – концентрации твёрдого вещества (кг/м3) соответственно в i-м слое, в исходной суспензии и в шламе.

Из (1) и (2) найдем

(3)

Для предотвращения уноса твердой фазы восходящими потоками жидкости необходимо, чтобы в любой области слоя осаждения величина Qосв/S не превышала скорости осаждения твердой фазы [9, 13], где S – площадь осаждения, м2. Если в (3) подставить взамен максимально допустимое его значение, равное , то получим максимально допустимое значение удельного расхода исходной суспензии Qисх/S, при котором имеет место баланс в любом i-м слое:

(4)

Выражение (4) определяет максимально возможный удельный расход исходной суспензии, такой, чтобы в i-й области соблюдалось равновесие и не возникло уноса твердого вещества с осветлённым щёлоком. Для расчета производительности осветлителя вычисляют допустимый расход исходной суспензии (4) для каждого i-го слоя зоны осаждения. Минимальное из этих значений определяет производительность аппарата, соответствующий слой будет лимитирующим слоем.

При вычислении производительности осветлителя необходимо в (4) подставить скорости осаждения, соответствующие всем значениям концентраций в зоне осаждения. Для расчетов были использованы данные экспериментов по отстаиванию суспензий белого щелока различных концентраций. Процессу стесненного осаждения соответствует интервал концентраций от 10 до 260 г/л. При меньших концентрациях происходит свободное осаждение (ωoc = const), которому соответствует зона осветления. При больших концентрациях наблюдается сгущение, флокулы шлама соприкасаются, деформируются и частично разрушаются. Эмпирические зависимости скорости ωoc (мм/мин) от концентрация твёрдых веществ в суспензии c (г/л) имеют вид

ωoc = 69,77·(1,025)–c, при 10 г/л ≤ c ≤ 100 г/л; (5)

ωoc = 8,72 – 0,0272c, при 100 г/л ≤ c ≤ 260 г/л. (6)

Результаты исследования и их обсуждение

Расчет величины Qисх/S (4) выполнен для Сi = 80…260 г/л, Cисх = 80…150 г/л и Cшл, равного 400 и 500 г/л. В (4) подставлялись данные о скорости (5) и (6). Зависимость Qисх от Cисх монотонно убывающая. Зависимость Qисх/S от Сi имеет ряд экстремумов, два из которых находятся в рабочем диапазоне: при Сi = 100 г/л и при Сi = 260 г/л. В зоне осаждения Сi ≥ Cисх. Например, если Cисх = 150 г/л и Cшл = 500 г/л, то в лимитирующем слое Сi = 260 г/л.

В многокамерных осветлителях отбор осветленного щелока распределяется между всеми камерами, нагрузка на верхнюю часть зоны осаждения в каждой из камер уменьшается. Нагрузка на нижнюю часть зоны осаждения не снижается, так как весь шлам перетекает из камеры в камеру. Применение таких осветлителей целесообразно, если лимитирующей оказывается верхняя часть зоны осаждения.

Адекватность результатов моделирования подтверждена в экспериментах [4].

Результаты работы не противоречат данным других авторов [20, 22].

Заключение

Результаты работы показали, что для осветления белого щелока при концентрации взвеси более 100 г/л целесообразно использовать однокамерные осветлители, а при меньших концентрациях – двухкамерные осветлители.

Согласно полученным данным, слой осветления имеет толщину примерно 1,00 м, слой осаждения – 1,00 м, промежуточный слой – 0,25…0,40 м, слой осадка – 1,00…2,00 м. Поэтому высота однокамерного осветлителя от днища до уровня отбора осветленного щелока должна быть не менее 3,50 м. Погружение трубы, подающей исходную суспензию, должно составлять 2 м.

Применение полученных результатов на целлюлозно-бумажном комбинате позволило на 25 % повысить производительность однокамерных осветлителей [4].

Рецензенты:

Колесников Г.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой механики, зам. директора по НИР Института рационального природопользования на Европейском Севере, г. Петрозаводск;

Питухин А.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии металлов и ремонта, ФБГОУ ПетрГУ, г. Петрозаводск.

Работа поступила в редакцию 23.08.2013.