Общая характеристика процесса

В процессе промывки целлюлозы происходит отделение от­работанного черного щелока от сваренной целлюлозной массы, поэтому промывку целлюлозы можно считать первой стадией ре­генерации затраченной на варку щелочи, содержащейся в от­работанном щелоке. Целлюлозная масса после натронной или сульфатной варки содержит от 4 до 6,5 м отработанного черного щелока на l m воздушно-сухой целлюлозы. Из общего количества щелока небольшая часть (примерно 0,3...0,4 „м на 1 т целлюло­зы, или около 5 % от общего объема) содержится во внутренних капиллярах клеточных стенок. Некоторая часть щелока (прибли­зительно 1...1,5 м на 1 т целлюлозы, или 15...20 % от общего объема) заключена во внутренних каналах и полостях волокон. Остальное количество щелока, т. е. 75...80 % от общего объема, составляет свободный щелок, окружающий отдельные волокна или пучки волокон.

При организации промывки приходится решать ряд задач, каждая из которых в отдельности не представляет серьезной про­блемы, но их комплекс создает определенные инженерные труд­ности. Важнейшие из этих задач:

- получение хорошо промытой целлюлозы, т. е. обеспечение минимального количества растворенных минеральных и органи­ческих веществ в потоке промытой целлюлозы или, что то же са­мое, обеспечение максимально полного отбора черного щелока, так как все неотмытые вещества при последующих технологиче­ских операциях (очистка, отбелка, обезвоживание) попадут в сточные воды и не могут быть возвращены в производство;

- минимальное разбавление черного щелока, отбираемого на регенерацию, так как далее этот щелок будет упариваться и сжи­гаться;

- минимальный расход на промывку свежей воды, что обу­словлено очевидными экологическими и экономическими при­чинами;

- обеспечение минимального сброса или полного отсутствия щелокосодержащих промывных сточных вод, увеличивающих количество и загрязненность промышленных стоков.

В существующих методах отделения щелока частично ис­пользуются механические процессы (отжим), основным же тех­ническим приемом является промывка водой, при которой часть щелока удаляется из целлюлозной массы путем вытеснения без разбавления, а часть неизбежно смешивается с водой за счет вза­имной диффузии. Принято различать промывку по методу вытес­нения и промывку по методу смешения с последующим отжимом или отфильтровыванием щелока. К первому типу относится про­мывка в сцежах, в варочных котлах и диффузорах непрерывного действия, ко второму — непрерывная многоступенчатая промывка на барабанных и ленточных фильтрах, в пресс-фильтрах, в винто­вых и дисковых прессах.

Элементарные процессы при промывке массы можно разде­лить на две группы: механические (механический отжим, фильт­рация) и физико-химические (диффузия, набухание, адсорбция, пенообразование).

Отжим.Механический отжим представляет собой наиболее простой способ разделения волокна и щелока. При отжиме жид­кость выдавливается из каналов и капилляров массы под действи­ем приложенного внешнего давления. При этом одновременно происходит сжатие массы и уменьшение сечения капилляров. Жидкость в капиллярах удерживается силами поверхностного натяжения, которые проявляются в тем большей степени, чем меньше диаметр капилляра, т. е. удержание будет определяться капиллярным давлением (Р, мН):

P = 4σ/d,

где σ- поверхностное натяжение, мН/см; d— диаметр капилляра, см.

При диаметре капилляра 1 мкм капиллярное давление равно 64 МПа, при диаметре 10 мкм - 29,6 МПа;сухость массы соста­вит соответственно 70 и 40 %.

При отжиме целлюлозная масса отдает жидкость до тех пор, пока возрастание внутреннего капиллярного давления за счет спрессовывания массы и уменьшения диаметра капилляров не уравновесит внешнее приложенное давление.

При отжиме массы в шнек-прессах при давлении до 2 МПа достигается сухость 30...40 %, а отжим в поршневых прессах при давлении 40 МПа повышает сухость до 48 %. Таким образом, осуществить полную промывку за счет отжима невозможно.

Фильтрация.Сущность этого элементарного процесса промывки заключается в том, что промывная жидкость фильтру­ется через слой волокнистой массы, вытесняя из него крепкий щелок.

Скорость фильтрации q измеряется количеством жидкости, проходящей через единицу поверхности фильтра в единицу вре­мени, и для несжимаемого материала может быть вычислена по уравнению Пуазейля:

q =Δр/Rl,

где Δр - разность давлений по сторонам фильтрующего слоя; l -толщина фильтрующего слоя; R - коэффициент сопротивления фильтра:

R = 32μ/φd²,

где μ - динамическая вязкость жидкости; φ - коэффициент жи­вого сечения фильтра; d - средний диаметр капилляров в фильт­рующем слое.

Целлюлозная масса представляет собой сжимаемый фильт­рующий слой. Под влиянием давления фильтрации он легко спрессовывается. В результате уменьшается коэффициент живого сечения фильтра и средний диаметр каналов, а в конечном итоге возрастает коэффициент сопротивления фильтрации R.

При фильтрации через тонкий слой массы (на барабанном фильтре) степень уплотнения по толщине слоя примерно оди­накова. При фильтрации через толстый слой масса сильно спрес­совывается только у фильтрующей перегородки (сетки, сита), где сосредоточивается почти все сопротивление фильтрации; по толщине слоя падение сопротивления происходит по закону ги­перболы. Вследствие спрессовывания скорость фильтрации сквозь слой целлюлозной массы не прямо пропорциональна раз­ности давлений: по мере повышения Δр скорость фильтрации растет все медленнее, и при некоторой критической Δр может на­ступить состояние «мертвой» запрессовки, когда скорость филь­трации перестает увеличиваться.

Диффузия.Щелок, находящийся в полостях и порах цел­люлозных волокон, можно удалить только за счет диффузии рас­творенных веществ в промывную жидкость из-за разности кон­центраций. Скорость стационарной диффузии в идеальной сис­теме описывается уравнением Фика:

,

где с - концентрация растворенных веществ; - коэффициент диффузии; S -поверхность диффузии; dc/d - скорость диффу­зии; dc/dx - градиент концентрации.

Для практических расчетов промывки это уравнение непри­годно, но позволяет произвести феноменологический анализ. В частности, из него следует (и это согласуется с практическим опытом), что скорость диффузии прямо пропорциональна по­верхности и градиенту концентрации. Для обеспечения высокого градиента концентрации и ускорения экстракции щелока из пор волокна необходима быстрая смена промывной жидкости и со­прикосновение с ней возможно большего числа волокон.

Механическое перемешивание массы очень сильно ускоряет процесс диффузии, так как при этом обновляется поверхность и увеличивается градиент концентрации. Перемешивание является необходимым условием при промывке по методу смешения. При промывке по методу вытеснения масса не перемешивается, по­этому для быстрого и полного прохождения диффузии необхо­димо хорошее сепарирование массы и равномерное рас­пределение жидкости по сечению промывного аппарата.

Величина коэффициента диффузии зависит главным обра­зом от вязкости жидкости и составляет для растворенных ве­ществ черного сульфатного щелока при 20 °С около 0,7·10^-5 см²/с.

С повышением температуры на 10 °С коэффициент диффу­зии щелочи из волокна возрастает в 1,2...1,3 раза, что соответст­вует энергии активации порядка 20...27 кДж/моль.Для ускоре­ния диффузии промывку целесообразно вести при высокой тем­пературе.

Адсорбция.Целлюлозные волокна обладают значительной адсорбционной способностью, что обусловлено пористой струк­турой и сильно развитой внутренней поверхностью, которая со­ставляет (2,18...2,31)·10⁶ см²/г. Центрами адсорбции на поверх­ности волокна являются полярные гидроксильные группы. Они обладают обменной способностью по отношению к катионам ме­таллов и создают отрицательный заряд.

Практическое значение при промывке сульфатной целлюло­зы может иметь только адсорбция ионов натрия. Установлено, что в зависимости от степени делигнификации целлюлозы ад­сорбция щелочи составляет 0,6...2,5 кг Na₂0 на 1 т воздушно-сухой целлюлозы. Эта щелочь остается в промытой массе и явля­ется одним из источников потерь содопродуктов.

Вспенивание щелоков.Вспенивание черных щелоков спо­собно причинить большие затруднения при промывке на бара­банных фильтрах. Вспенивание вызывается присутствием в ще­локе после варки хвойной древесины большого количества по­верхностно-активных веществ, прежде всего смоляных и жирных мыл. Мыла понижают поверхностное натяжение воды на границе соприкосновения щелока с воздухом и вследствие этого адсорби­руются в поверхностном слое, образуя прочные уплотненные пленки кристаллического строения, обволакивающие воздушные пузырьки. Образованию обильной пены способствует попадание воздуха в щелок.

Пена черного щелока отличается чрезвычайной стойкостью: продолжительность ее саморазрушения составляет около суток, и даже пена, обработанная паром в пеноглушителе, может стоять без разрушения 6...8 ч.Одним из эффективных средств борьбы с пеной является введение в щелок поверхностно-активных ве­ществ, обладающих большей поверхностной активностью, чем мыла, но образующих менее прочные пленки. К числу таких ПАВ относятся силиконовые соединения и высокоатомные спирты. Для полного разрушения пены сульфатного щелока достаточна добавка 0,4 кг смеси спиртов С₇-С₉ или 0,1 кг силоксана СКТН-1 на 1 т целлюлозы.