RU2472579C2

RU2472579C2 - Activator of chemical reactions in wood chips delignification in boiling pot

Info

Publication number: RU2472579C2
Application number: RU2011101786/05A
Authority: RU
Inventors: Эрнст Иванович Деникин; Юрий Дмитриевич Нетеса; Демид Сергеевич Тарантин
Original assignee: Тарантин Сергей Анатольевич
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2013-01-20
Also published as: RU2011101786A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to chemical, petrochemical industries and medicine and may be used in agricultural wastes and effluents treatment. Activator comprises built-in flow energiser made up of several parallel rectangular plates that make through channels aligned with flow direction and distributed over activator cross-section. Some plates, next by one, are mounted to reciprocate and connected with electromagnetic drive. Besides, other plates may also be mounted like the former plates and coupled with said drive.

EFFECT: simplified design, higher efficiency.

6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение предназначено для использования в целлюлозно-бумажной промышленности, а более конкретно в процессе делигнификации древесной щепы в варочном котле.The invention is intended for use in the pulp and paper industry, and more particularly in the process of delignification of wood chips in a digester.

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.The known technology of delignification of chips in the production of pulp in the process of slow cooking in a continuous installation "Kamur" [1]. The main element of the installation is a cylindrical digester with a productivity of 450-500 tons per day, having a diameter of 4.7 meters and a total height of 45 meters. Sieve belts are installed in the digester. According to the height of the boiler, three temperature zones are distinguished: welding, boiling and diffusion washing.

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.The main disadvantage of the Kamyur installation is the significant material consumption and low productivity of the digester. This situation is a consequence of the fact that the process of movement of pulp from the infusion zone to the washing zone, which takes 4.5 hours, is carried out under the influence of gravitational forces. The need to increase productivity, as a rule, is associated with an adequate increase in the volume of the digester. So, with a daily output of 1200 tons, the diameter of the boiler increases to 6-7 m, and the height reaches 80-85 m.

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.The method of delignification of wood chips of almost any real thickness looks promising in comparison with the analogue, which is achieved by using turbulization of pulp in the cooking process. The hardware design of the latter is shown on the example of acid-base cooking, where a continuously operating pulsating apparatus of the vertical type is used [1]. A design feature is that, along the height of the hollow column (digester) at fixed intervals, fixed plates (plate nozzles) are located that cover the entire free section of the column. Plates have rectangular holes of small cross section, equipped with rectangular guide vanes. The column has cylindrical nozzles for moving chips from plate to plate from top to bottom. In the steady state process, the apparatus is completely filled with a mass that pulsates under the action of a pulsator (turbulizer) connected to the bottom of the column. From the pulsator to the liquid filling the column, the reciprocating movement in the vertical direction is constantly transmitted. The guide vanes at the small plate openings add to this vertical reciprocating movement also a rotational component, which changes its direction on each plate, since the blades on adjacent plates are directed in opposite directions. The movement from the liquid is transmitted to the chips. The constant intensively pulsating hydrodynamic effect on the chips, the friction of the chips against each other leads to the separation of the welded fibers of the surface layer, delignified during cooking in the first place. At the same time, a new reaction surface is exposed on the chips. The welded fibers fall into the same holes through which oxygen moves from bottom to top, are continuously removed from the apparatus with a flow of circulating liquor and separated from it in a special discharge device. Partially welded wood chips through nozzles located on the edges of the plates, moves from top to bottom until they are completely converted into a welded fiber. The required degree of delignification of cellulose, in which the fibers are separated from the wood chips, is regulated by the values of the cooking factors, of which the pulsation intensity, characterized by the product of the double amplitude (in mm) and their frequency, is the main one. This indicator is in the range of 1000-4000 mm / min.

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.Turbulization or the imposition of pulsations on the pulp in the digester theoretically and practically should lead to an intensification of the cooking process. However, a significant obstacle to the implementation of this technology is the structural complexity of the pulsating equipment, which is practically distributed throughout the volume of the digester.

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.So, a number of dish-shaped nozzles overlap the section of the boiler in height. The pulsating device (pulsator) is moved outside the boiler. The complexity of the design affects the quality of turbulization. Dish-shaped nozzles are an obstacle to the propagation of pulsations, significantly reducing the effectiveness of the latter, especially in the upper cooking part of the boiler. Thus, a consequence of the structural complexity of the pulsator (turbulizer) is a significant decrease in the efficiency of the excited pulsations on the pulping process.

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.On the other hand, the turbulization technology proposed in the above method does not achieve the full effect of the activation of the physicochemical processes that occur during cooking. The reason for this is the fact that the pulsations created in the lower part of the boiler using the appropriate apparatus, even with a small height of the digester, will decay due to the significant hydrodynamic resistance of the pulp. The process of attenuation will also contribute to the compressibility (friability) of the wood chips and, as indicated above, the presence of dish-shaped nozzles located along the height of the digester, which, despite through perforations, are a purely physical obstacle to the propagation of pulsations. Further, the meaning of pulsations is not in the usual creation of a wave process in the pulp, but in its movement in the digester a certain distance (20-30 mm) to increase the efficiency of delignification of wood chips from interaction with dish-shaped nozzles. This means that the pulsator must have sufficient power to lift the “column” of pulp by the specified distance. The weight of the “pillar”, in particular in the mentioned Kamur apparatus, reaches almost 300 tons. And if we take into account that the pulsator drive, in addition to raising the “pillar” of overcoming the hydrodynamic resistance of the pulp, must be designed to overcome inertial loads, the total drive power of the pulsator can reach hundreds of kilowatts.

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.Thus, the proposed device for activating the process of delignification of wood chips, which involves imposing pulsations on the pulp in the entire volume of the cooking space of the boiler, is not able to solve this problem qualitatively and is unlikely to find practical application because of the limited productivity by the disproportionate increase in energy costs for organizing turbulization. The significant structural complexity of pulsating equipment is also a significant obstacle to its industrial development.

Таким образом, задачей изобретения является упрощение конструкции турбулизатора и повышение эффективности его воздействия на варочный процесс.Thus, the object of the invention is to simplify the design of the turbulator and increase the efficiency of its impact on the cooking process.

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.The problem is solved due to the fact that in the device for activating physico-chemical reactions, in the process of delignification of wood chips in a digester made in the form of a turbulator, the latter is formed by a series of parallel-mounted rectangular plates distributed over the entire cross section of the boiler with the formation of through channels for the passage of pulp, while part of the plates, through one, is mounted with the possibility of reciprocating movement in the direction perpendicular to the movement of the pulp masses. The movable plates are connected to an electromagnetic motor. In addition, the second part of the plates can be mounted, like the first, i.e. movably and connected to an electromagnetic motor. Depending on the nature of the reaction mass, the plates may have through perforations in the form of cylindrical holes and be made in the form of gratings formed by cylindrical and / or rectangular cross-section rods. The surfaces of the plates facing each other can be provided with alternating depressions and protrusions.

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).In the drawings attached to the description, are presented: a schematic representation of a turbulizer for a continuously operating digester pulp production (figure 1); various versions of the plates for the turbulator (Fig.2-4).

В качестве примера выполнения устройства для активации физико-химических реакций в настоящем описании выбран турбулизатор для непрерывно действующего варочного котла целлюлозного производства.As an example of the implementation of the device for activating physico-chemical reactions in the present description, a turbulator for a continuously operating digestion pulp production is selected.

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.The digester 1 has a cylindrical wall 2. It is formed by a series of parallel mounted rectangular plates 3, conventionally divided into odd - 4 and even - 5. These plates form through channels 6, aligned with the movement of the pulp (reaction) mass 7 moving in the digester in the vertical direction indicated by arrows 8. The plates 3 are distributed over the entire cross section of the boiler 1, overlapping it completely. The length of all plates 3 is the same. The plates, both even - 4 and odd - 5, have the possibility of reciprocating antiphase movement relative to each other in the direction perpendicular to the movement of the pulp. The even plates 4 are combined into a single block by rods 9 located in the guide holes made in the odd plates 5, which also form a block due to the rigid connection with the common axis 10. The drives of both blocks of plates are made equally and they are located outside on the wall 2 of the digester 1. Each drive is an electromagnetic motor 11, the anchor of which is connected to one of the plate blocks and rests on a two-sided elastic support formed by a set of Belleville springs 12, supported on one side on the wall 2, and on the other - on the crossbar 13 in the housing 14, in which the engine 11 is installed.

Работает турбулизатор следующим образом.The turbulator operates as follows.

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.The pulp stream 7 moves during continuous cooking in the direction of arrows 8, i.e. way down. The turbulator can be placed anywhere in the cavity of the digester 1, but the cooking zone is preferred, which is located below the upper screens in Kamyur installations. It should be noted that more than one turbulator can be installed in the digester. When the cellulose mass passes through channels 6, the latter enters the zone of active turbulization created by plates 3, even 5 and odd 4 of which move in antiphase in the mode of reciprocating, oscillatory movement in the direction perpendicular to the movement of the pulp. To organize this work of the plates 3, the control of electromagnetic drives 11 is carried out through a single control system (not shown). The presence of elastic systems in the drive in the form of a plate spring 12 allows both drives to operate in resonance mode, i.e. with minimal energy consumption. The control system provides the possibility of flexible and in a wide range of regulation of the amplitude of oscillations and frequency of the plates 3. This circumstance is of great importance for choosing the optimal mode of turbulization depending on the characteristics of the technological process of cooking, and more precisely its basic parameters, such as temperature, degree of steaming, etc. P. From the physical point of view, the turbulization generated in the described manner consists in the fact that there is a local pressure fluctuation in the channels 6, i.e. volumes limited by movable plates. Given the low overall speed of movement of the pulp within the digester 1, pressure fluctuations in the independent channels 6 will cause a significant hydrodynamic disturbance (turbulization) there, which will find expression in the phenomenon of the "ebb-tide" type. The proposed method of turbulization involves pressure fluctuations in the through channels 6 with frequencies of tens of hertz, which implies a very high degree of activation of the pulp due to local high-speed fluid flows during the aforementioned “tides” in the channels 6. This leads to a significant intensification of the process separation of the welded fibers of the surface layer and exposure of new reaction surfaces in the wood chips being cooked. An equally significant factor accelerating the delignification process is the impact on the chips of variable pressures that vary in a positive asymmetric cycle. The action of variable loads on the chips has a destructive effect due to the manifestation of fatigue phenomena in it, which sharply reduce the strength of internal bonds. This fact will contribute to the intensification of the process of delignification of wood chips, which is the essence of the pulping process. The simplest calculations show that the criterion used in the prototype to characterize the efficiency of the delignification process, in the case of using the proposed pulp turbulization device, can be increased by at least an order of magnitude and reach 40000-50000 mm / min and even more.

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.The implementation of the plates 3 with through perforation (figure 2) or with a ribbed surface (figure 3), as well as in the form of a lattice (figure 4) can significantly increase the activating ability of the proposed device.

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.In relation to the pulping process, the use of the proposed activation device makes it possible to several times reduce the weight and overall characteristics of the digester, increase productivity and improve the quality of the pulp. In addition, this device can be used with no less effect in other technological operations of pulp production, for example, bleaching, enrichment, etc.

Источник информацииThe source of information

1. «ВНИИБ, Технология целлюлозно-бумажного производства», том 1, издательство Политехника, Санкт-Петербург, 2003 г.1. “VNIIB, Pulp and Paper Production Technology”, Volume 1, Polytechnic Publishing House, St. Petersburg, 2003

Claims

1. A device for activating physico-chemical reactions in the process of delignification of wood chips in a digester, made in the form of a turbulator, characterized in that the latter is formed by a series of parallel-mounted plates, divided into even and odd and combined into corresponding blocks distributed over the entire cross section boiler, blocking it completely, with the formation of through channels for the passage of pulp, with some of the plates made with the possibility of reciprocating movement.

2. The device according to claim 1, characterized in that the drive for moving the plates is made in the form of an electromagnetic motor.

3. The device according to claim 1, characterized in that the plates are rectangular and their second part is also mounted with the possibility of reciprocating movement and is connected with an electromagnetic motor.

4. The device according to claim 1, characterized in that the plates are made with through perforation, for example in the form of cylindrical holes.

5. The device according to claim 1, characterized in that the plates are made in the form of gratings formed by cylindrical and / or rectangular rods in cross section.

6. The device according to claim 1, characterized in that the surfaces of the plates facing each other are provided with alternating protrusions and depressions.