CN112593440A - 用于棉浆漂白的水力超声空化装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于棉浆漂白的水力超声空化装置，包括定子、转子、转轴、超声波换能器和氧化剂注入装置，定子两侧分别设置有进液口和排液口，定子的进液口一侧与氧化剂注入装置连接，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的两侧分布有空化通孔。棉浆沉淀后送至定子中，氧化剂注入装置将氧化剂输入定子，与棉浆混合，通过空化技术进行处理，实现有机物的降解。本发明结合水力空化、超声空化与高级氧化技术协同漂白棉浆，处理效率高，处理效果好，可连续作业。

Description

用于棉浆漂白的水力超声空化装置
技术领域
本发明涉及一种用于棉浆漂白的水力超声空化装置，属于棉浆漂白技术领域。
背景技术
棉浆粕又称精制棉浆，是以棉短绒为原料，经碱法蒸煮、漂洗精制而成的一种高纯度纤维素。主要用于制造醋酸纤维素、硝化纤维素和醚类纤维素，广泛用于食品、医药、牙膏、日化、建材、造纸、电子、塑料、航天和军工等领域。浆粕生产中,漂白过程是一个极其重要的阶段，对浆粕的性质和化学加工性能产生重要的影响
白度是反映棉浆质量优劣的重要物理指标之一。对于棉浆的漂白而言,一般采取单段次氯酸钠漂白,单段漂白的过程控制比较简单,操作的灵活性大,但次氯酸盐单段漂所得的浆白度不高,尤其对质量较差的棉浆,漂浆的白度偏低。要达到较高的白度需采用CEH三段漂,而传统的三段漂白用水量高,废水的污染负荷大。
CN102561093A公开的一种棉浆节水洗涤连续漂白工艺，采用了重新设计的鼓式真空洗浆机代替现在棉浆粕漂白时常用的水平带式洗浆机，采用逆流洗涤的方式对棉浆进行洗涤。该方法处理工艺复杂，对使用水的依赖性大，成本较高。
CN102505551A公开的一种纸浆碱性过氧化氢漂白方法，是在高得率浆或废纸脱瞾浆碱性过氧化氢漂白过程中加入脱乙酰度大于80％的壳聚糖作为过氧化氢的稳定剂，壳聚糖用量为0.5-5kg/吨浆，漂白时同时加入过氧化氢、氢氧化钠和硅酸钠。与无元素氯(ECF)漂白和全无氯(TCF)漂白的发展趋势相悖。
发明内容
本发明针对现有棉浆漂白技术存在的不足，提出一种处理效率高、效果好的用于棉浆漂白的水力超声空化装置。
本发明用于棉浆漂白的水力超声空化装置，采用以下技术方案：
该装置，包括定子、转子、转轴、超声波换能器和氧化剂注入装置，定子两侧分别设置有进液口和排液口，定子的进液口一侧与氧化剂注入装置连接，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的两侧分布有空化通孔。
所述定子内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm。
所述进液口和排液口对角设置，所述进液口的进液流量为1.5～4.5m3/h。
所述氧化剂注入装置包括依次连接的氧化剂输送管、氧化剂泵和氧化剂箱。氧化剂输送管连接在定子的进液口一侧，氧化剂箱储存氧化剂溶液(浓度为0.5～1g/L，过氧化氢、臭氧等)，通过氧化剂泵和氧化剂输送管输送至定子内，定子内溶液中氧化剂的添加量为1.5～4.5g/h。
所述超声波换能器等间距沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈；所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。
所述转子在转轴上轴向等距分布，共有2～6个。所述转轴带动转子以3000～4000r/min的转速转动。
所述叶片在转子的圆周上分布有4～10个，所述叶片长度为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。
所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致，而不是与转子的轴向一致。
所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm，收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。
所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布；空化通孔在叶片内空腔两侧相对设置，两两对正；所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
为保证空化现象的形成并高效地实现棉浆漂白工艺，上述结构与工艺参数均由实际漂白实验所得。
本发明所述装置采用旋转水力空化技术，创新地通过转轴高速旋转带动转子，使转子上的文丘里形通孔高效生成空化气泡，当静压力恢复时空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)。此外，在上述极端条件下，水分子可被水解，生成具有强氧化性的羟自由基、过羟自由基与过氧化氢。在水力空化效应作用的同时，耦合超声波可大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成。此外，空化气泡溃灭时产生的强湍流效应可加速氧化剂(过氧化氢)的快速溶解、混合；产生的极高温高压条件可极大增加反应速率，从而最终提高氧化漂白效果。上述三者的耦合可使染料分子的发色团被破坏，从而达到漂白效果，且可获得远高于三者单独使用时处理效果的总和。
本发明通过漂白实验，在最优工况下与该结构下(参数为：定子的内径为400mm，定子的宽度为340mm，壁厚度为30mm；叶片长为130mm，宽度为60mm，厚度为30mm；文丘里形孔的出口和入口内径为6mm，中央喉部内径为0.7mm,收缩角为45°，扩张角为11°；叶片上的文丘里形孔呈5×4矩形阵列排布；超声波换能器每排4个，共6排；超声波发生器为2个，单机功率为2000W)，获得如下结论：
在转速4000rpm，流量为2.6m3/h，超声波频率为40kHz，反应温度75℃，以及1g/L的过氧化氢使用量下，10分钟的处理时间可使10L从某场蒸煮且稀释过废棉浆的白度从29％提升至90％。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结合水力空化、超声空化与氧化剂协同漂白棉浆，远远比单独使用水力空化、超声空化或高级氧化的方法效率高(可提高3～4倍以上)，具有高效性，且此方法的处理量大，可连续作业；
2.本发明所述装置转子内通孔为文丘里形结构，叶片两端的文丘里形通孔两两对正，以在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增，空化效率远高于传统装置；
3.叶片的空腔结构为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果；
4.本发明所述装置转子通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率(较未精加工的通孔，空化效率可提高20％)；
5.本发明所述装置采用多转子对称分布，每个转盘开设阵列文丘里形孔，并在定子内壁设置加超声波换能器与氧化剂输送管，较传统空化器极大地提高了水力空化的处理效率；
6.本发明所述装置中的超声波换能器可以根据容器的不同做成任意形状，且设备采用内置式，产生的噪声小，能量衰减小；
7.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变定子与转盘式空化发生器尺寸，更换大功率动力装置即可满足更大硫化物废水处理量的需求；
8.本发明所述装置高效耦合了水力空化、超声空化与高级氧化技术，一体化设备大大简化了整个工艺流程；
9.本发明所述装置运转过程中，定、转子表面周期性被空化清洗，具有自清洁功能；
10.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；
11.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际漂白实验所得；
12.本装置具有高效、污染小的优点。
附图说明
图1是本发明用于棉浆漂白的水力超声空化装置的结构示意图。
图2是本发明中定子和转子的结构示意图。
图3是本发明中转子的结构示意图。
图4是本发明装置漂白棉浆的过程示意图。
图中：1.排液口，2.密封盖，3.密封端盖，4.转轴，5.角接触球轴承，6.机械密封，7.定子端盖，8.密封垫圈，9.定子，10.超声波换能器，11.超声波发生器，12.转子，13.空化通孔，14.空腔，15.进液口，16.楔键，17.氧化剂输送管，18.氧化剂泵，19.臭氧发生器；20.叶片，21.沉淀池，22.沉淀剂仓，23.水泵，24.本发明装置，25.阀门。
具体实施方式
本发明用于棉浆漂白的水力超声空化装置，如图1和图2所示，包括定子9、转子12、转轴4、超声波换能器10和氧化剂注入装置，定子9与氧化剂注入装置连接。
定子9为空腔密封筒体，定子内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm。定子9的右侧端盖上部设置有进液口15，左侧端盖下部设置排液口1，进液口15和排液口1对角设置，以防止产生短流现象。进液口15与排液口1分别与泵相连，用于控制流量。进液口15的进液流量为1.5～4.5m3/h。定子右侧端盖下部连接氧化剂注入装置，氧化剂注入装置包括依次连接的氧化剂输送管17、氧化剂泵18和氧化剂箱19(氧化剂箱)。氧化剂输送管17连接在定子9的进液口15一侧，氧化剂输送管17与氧化剂箱19连接。氧化剂箱19中产生浓度为0.5～1g/L的氧化剂溶液(过氧化氢、臭氧等)，通过氧化剂泵18和氧化剂输送管17输送至定子9内，定子9内溶液中氧化剂(臭氧)的添加量为1.5～4.5g/h。
定子两端通过螺栓连接定子端盖7，连接处有密封垫圈8，使得定子9内部形成密封的空腔。定子端盖7的内部设角接触球轴承5，外部设有密封盖2，密封盖2上连接密封端盖3，且连接处有密封圈8，形成密封结构。
定子9内壁上分布有超声波换能器10，超声波换能器10等间距地形式沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈。各个超声波换能器10均与超声波发生器11连接。超声波发生器11数量为1～4个，频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。耦合超声波后，可使大大增强空泡溃灭时产生的能量，促进羟自由基的生成，提高处理效果。
转轴4通过定子两侧端盖7内的角接触球轴承5安装在定子9中且一端伸出，转轴4伸出定子9的一端通过联轴器和增速器与电机连接。转轴4与定子端盖7连接处设有机械密封6，并处在密封盖2内部，以保证装置的密封性。转子12处于定子9的空腔中，并通过楔键16固定安装在转轴4上，转子12在转轴4上轴向等距分布，共有2～6个。转轴4带动转子12以3000～4000r/min的转速转动。转子12搅拌的湍流效果与空化现象产生的极端条件，增强氧化剂与棉浆的混合效果，加快反应速率，大大提高处理效果。由于空泡溃灭持续产热，定子内部反应温度为50～80℃。
转子12为多叶片叶轮结构，参见图2和图3。转子12的圆周上分布有4～10个叶片20，叶片20为具有空腔14的中空梯形体结构，空腔14为空化过程提供高流速低压强的发生面，增强扰流效应，增强空化效果。叶片20长为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。叶片20中在空腔14的两侧分布有空化通孔13，空化通孔13的轴线方向与转子13的转动切线方向一致，而不是与转子13的轴向一致。通孔13为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm，收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。通孔13在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布，有利于空泡的产生与溃灭。叶片20内空腔14两侧的通孔13两两对正。转子12高速旋转时，流体从一侧的通孔13的大端进入，流经喉部产生空化现象，再由小端流出，进入空腔14内。之后流体便会进入另一侧对正的通孔中，再次诱发空化现象。因此，该结构可在不改变叶片数量的前提下实现两次连续空化过程，使空化效果倍增。所述通孔13内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm，有利于强化空化初生效应，进而提高空化效率。
本发明的上述结构是根据棉浆特点经过实际漂白棉浆实验得出，通过高效耦合水力空化、热与高级氧化三种工艺，大大提高了对棉浆中污染物的降解率，达到了处理效果的最佳匹配效果。
上述装置漂白棉浆的过程如图4所示，棉浆经过依次连接的沉淀池21、沉淀剂仓22和本发明装置24进行处理。沉淀池21与本发明装置24之间的连接管道上设置有水泵23。氧化剂箱19与本发明装置24通过气体输送管道17相连。氧化剂箱19为现有技术。所用氧化剂不局限于臭氧，其他氧化剂仍可达到预期效果。沉淀剂仓22中储存沉淀剂，沉淀剂仓22通过阀门控制流入沉淀池21中的速度。棉浆通过阀门25控制进入沉淀池21中，在沉淀池21中与沉淀剂反应进行充分沉淀，去除废水中难以降解的悬浮颗粒。
沉淀后的棉浆通过水泵23进入本发明装置24中，与氧化剂箱19中的强氧化性物质混合。废水由进液口15流入定子9中。转子12在转轴4带动下高速旋转，使得叶片上的通孔13高速剪切流体，使废水局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。与此同时，外部的超声波发声器11把电转换成高频交流电信号，传递到嵌于定子9内壁上的超声波换能器10，超声波换能器10将电能转化为声能，产生高频超声波；超声波作用于流体中，诱发超声空化现象，从而大大强化水力空化生成的空泡数量并提升其溃灭强度，提高装置处理效率。此外，流体还与从氧化剂输送管17进入的氧化剂发生氧化反应，空化现象产生的极高温、高压条件大大提高了氧化剂的反应速率；高速剪切流体产生的强湍流效应也提高了氧化剂的溶解效果与均匀程度，从而进一步增强处理效果。水力空化处理使棉浆中产生空化气泡，从而降解棉浆中所含污染物，调节废水的酸碱度。转子12可以增加剪切力，提高对棉浆污染物的降解效率。处理过后的废水由排液口1流出，再进入进液口15进行循环处理，直至获得满意的制备结果。

Claims (10)

1.一种用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：包括定子、转子、转轴、超声波换能器和氧化剂注入装置，定子两侧分别设置有进液口和排液口，定子的进液口一侧与氧化剂注入装置连接，定子为密封筒体，定子内壁上分布有超声波换能器，转轴安装在定子中，转子处于定子中并固定安装在转轴上，转子上分布有叶片，叶片内带有空腔，叶片中在空腔的两侧分布有空化通孔。
2.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述定子内径为300～600mm，定子的宽度为200～500mm，壁厚为15～30mm。
3.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述进液口的进液流量为1.5～4.5m3/h。
4.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述氧化剂注入装置包括依次连接的氧化剂输送管、氧化剂泵和氧化剂箱。氧化剂输送管连接在定子的进液口一侧，氧化剂箱储存氧化剂溶液，通过氧化剂泵和氧化剂输送管输送至定子内，定子内溶液中氧化剂的添加量为1.5～4.5g/h。
5.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述超声波换能器等间距沿轴向与周向嵌入于定子内壁，每圈2～8个，共2～6圈；所述超声波换能器与超声波发生器连接，超声波发生器频率为40～80kHz，单机功率为1500～3000W。
6.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述转子在转轴上轴向等距分布，共有2～6个；所述转轴带动转子以3000～4000r/min的转速转动。
7.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述叶片在转子的圆周上分布有4～10个，所述叶片长度为50～200mm，宽度为30～60mm，厚度为10～30mm。
8.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述空化通孔的轴线方向与转子的转动切线方向一致。
9.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述空化通孔为文丘里形结构，两端分别为出口和入口，中部为喉部，出口和入口内径为1～6mm，中央喉部内径为0.4～1mm，收缩角为35～50°，扩张角为8～15°。
10.根据权利要求1所述的用于棉浆漂白的水力超声空化装置，其特征是：所述空化通孔在叶片上呈4～10排、3～10列的矩形阵列排布；空化通孔在叶片内空腔两侧相对设置，两两对正；所述空化通孔内壁的表面粗糙度Ra小于1.6mm。
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