УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОМЫВКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН Российский патент 1999 года по МПК D21C9/06 

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение в общем относится к усовершенствованиям технологии переработки волокон, и в частности к усовершенствованию способов и устройств для промывки целлюлозных волокон при производстве бумаги.

Процесс химической переработки древесины с целью получения целлюлозных волокон для производства бумаги включает варку или термическую обработку древесной щепы в различных варочных растворах с тем, чтобы смолы и материалы, связующие целлюлозные волокна, перешли в раствор, высвобождая волокна. В результате образуется суспензия волокон в жидкости, содержащей отработавшие реагенты, т.е. в варочном растворе. Для дальнейшей подготовки целлюлозной массы к производству бумаги волокна должны быть отделены от жидкости, жидкость удалена, а волокна промыты для удаления остатков реагентов.

Уровень техники
Цель промывки целлюлозы - отделение растворимых и нерастворимых примесей из целлюлозного волокна для получения целлюлозной массы по существу свободной от примесей. Оптимальной системой промывки целлюлозы была бы такая, которая позволила бы полностью удалить отработанный варочный раствор и другие примеси при использовании минимального количества промывочной жидкости. Наряду с химическим восстановлением и/или другими последующими процессами обработки отработанного варочного раствора, любые промывочные жидкости, добавленные на стадии промывки, необходимо также обработать либо выпариванием, либо другим способом. Поэтому целесообразно снизить до минимума количество промывочной жидкости, добавляемой при промывке, степень разбавления варочного раствора и последующие расходы на переработку реагентов.

При оценке эффективности промывочных систем в производстве бумаги для определения количества использованной промывочной жидкости принят термин "коэффициент разбавления". Коэффициент разбавления можно определить как количество воды или другой промывочной жидкости, введенной в систему и не выведенной из нее с промытой целлюлозной массой. Если количество введенной промывочной жидкости равно количеству промывочной жидкости, выводимой из системы с целлюлозной массой, то коэффициент разбавления равен нулю. Следовательно, низкие коэффициенты разбавления наиболее предпочтительны.

Далее приведено описание известных способов промывки целлюлозной массы.

Разбавление-Перемешивание-Экстракция (Экстракционная промывка)
В процессе промывки согласно этому способу избыток раствора выводят из целлюлозы, добавляют воду и/или разбавленный раствор из на последующей стадии. Смесь затем тщательно перемешивают для поддержания твердого вещества во взвешенном состоянии. Затем смесь снова обезвоживают до заранее заданного уровня. Эффективность процесса зависит от степени распределения волокон в растворе, достигнутой при перемешивании, и степени экстракции между последовательными разбавлениями. Чтобы повысить эффективность экстрагирования, раствор можно отжимать. Выведение твердых частиц и слабоконцентрированного черного щелока при экстракционной промывке зависит от текучести суспензии при данном коэффициенте разбавления на входе и выходе установки для промывки.

Для получения необходимого результата в системах для экстракционной промывки обычно требуется большое количество стадий экстрагирования, и, естественно, высокий коэффициент разбавления. Современная практика переработки реагентов и природоохранное законодательство ограничивают возможности использования такого способа промывки.

Промывка с ресуспендированием
При этом способе раствор, служащий дисперсионной средой, заменяют промывочной водой и/или фильтратом с последующих стадий. Во избежание смешивания промывочной жидкости с варочным раствором ее диффузию в целлюлозной массе контролируют. Эффективность процесса зависит от степени смешивания, характера течения суспензии при замене жидкостей и от равномерного распределения волокон между прослойками раствора и промывочной жидкости.

Способы промывки целлюлозной массы с ресуспендированием заключаются в образовании слоя волокон на верхней части поверхности вращающегося перфорированного барабана или движущейся сетчатой ленты и в напылении заменяющей раствор жидкости на этот слой. Фильтрат собирают и выводят под лентой. Существенный недостаток такой схемы - образование пены на сетке, которую необходимо удалять и впоследствии перерабатывать. Кроме того, при распылении заменяющей жидкости требуются защитные кожухи и покрытия.

Разбавление-Экстрагирование-Реруспендирование
Этот способ заключается в объединении двух предыдущих способов, а его эффективность зависит от параметров каждого из них. Приблизительно 85% предприятий по выработке крафтцеллюлозы используют этот способ промывки. Целлюлозу разбавляют раствором с последующих стадий и перемешивают для поддержания частиц твердого вещества во взвешенном состоянии, а затем производят экстрагирование, после чего фильтры промывают. В этом способе промывки используют барабанные промывные установки, работающие под напором или под вакуумом. При экстрагировании и ресуспендировании этим способом волокна в суспензии находятся в более или менее неподвижном состоянии по отношению к поверхности, на которой осуществляют промывку.

Некоторые недостатки этого способа заключаются в отрицательном воздействии захваченного суспензией воздуха, а в случае использования вакуумных промывочных машин - в ограничении температуры промывки. Обычно проникновение раствора сквозь слой целлюлозы улучшается при повышенных температурах, т.е. при более высокой температуре повышается эффективность промывки. Однако в вакуумных промывочных установках, которые работают при разрежении в барабане до -34,5 кПа (-5 фунтов на кв. дюйм), условия для поддержания волокна во взвешенном состоянии создаются при более низких температурах. Поэтому нельзя существенно повышать температуру в вакуумных промывочных установках для повышения способности жидкости отделяться от суспензии.

Промывочные установки, работающие под напором, не имеют температурных ограничений, хотя и отличаются от вакуумных установок только тем, что в них слой целлюлозных волокон находится под избыточным давлением. Однако, как и в вакуумных установках, в установках, работающих под напором, поверхность целлюлозной массы находится в воздухе и поэтому управлять процессом промывки, регулируя давление на сырье, невозможно. Кроме того, имеет место значительный захват воздуха массой и образующуюся в результате этого пену трудно подавлять. Воздух в суспензии целлюлозы снижает эффективность последующих стадий промывки, приводя к дальнейшим расходам на доведение суспензии до необходимой степени промывки. Можно использовать противопенные добавки, но при этом повышается стоимость процесса и появляются дополнительные проблемы сбора и переработки пены.

В известных технологиях промывки с использованием экстракции или ресуспендирования, промываемые волокна и фильтрующая перегородка находятся в относительно неподвижном состоянии. Обычно при этом образуется волокнистый слой на сетке, барабане или подобной конструкции. При удалении жидкости этот слой на барабане или сетке остается. В результате экстракция или ресуспендирование происходит относительно медленно и поэтому для обеспечения необходимой производительности требуется оборудование соответствующих размеров. Это дополнительно требует больших затрат на соответствующее оборудование и крупных производственных помещений.

Известно устройство (см. международную публикацию WO 92/00413) непрерывного действия, в котором суспензию целлюлозы перемещают по цилиндрической фильтрующей перегородке в одном направлении. Однако производительность таких устройств ограничена, и они не совместимы поэтому с современным оборудованием для производства бумаги, для работы которого необходимы высокопроизводительные промывочные установки непрерывного действия.

В авторском свидетельстве СССР N 1618801 A1, кл. D 21 С 9/00, 1991 г. описано устройство для промывки целлюлозных волокон, содержащее полый корпус, патрубки для входа и выхода волокнистой суспензии, первый и второй неподвижные цилиндрические промывочные фильтры для пропускания жидкости и задерживания волокон, причем первый фильтр расположен соосно внутри второго фильтра с радиальным зазором, средство для возбуждения пульсаций в суспензии, способствующей просачиванию жидкости сквозь фильтры, входной патрубок, сообщающийся с внутренним пространством корпуса для ввода промывочной жидкости, смешивания ее с суспензией и замены жидкости.

Однако производительность таких устройств также ограничена, и поэтому они не вполне отвечают требованиям современного оборудования для производства бумаги, для работы которого необходимы высокопроизводительные промывочные установки непрерывного действия.

Задачи изобретения
Задача изобретения заключается в создании устройства непрерывного действия для промывки целлюлозы, обладающего тем существенным преимуществом по сравнению с известными устройствами, которое обеспечивает повышение производительности без увеличения необходимой производственной площади.

Еще одна задача изобретения заключается в создании устройства непрерывного действия для промывки целлюлозных волокон, которое не имеет недостатков известных устройств и работает без образования пены.

Следующая задача заключается в создании усовершенствованного устройства для промывки целлюлозы, при работе которого повышается качество промываемой массы и в котором используют жидкость-носитель волокон для их промывки, причем волокна, перемешивая, непрерывно ресуспендируют и промывают с минимальным расходом свежей промывочной жидкости, таким образом минимально разбавляя варочный раствор.

Еще одной задачей изобретения является создание устройства для промывки целлюлозной массы, которое имеет усовершенствованное приспособление для выгрузки целлюлозных волокон.

Следующая задача изобретения заключается в создании устройства для промывки целлюлозной массы в герметизированном объеме, что позволяет промывать высокотемпературную массу и повысить производительность.

Кроме того, задача изобретения заключается в создании устройства для промывки целлюлозной массы, в котором для повышения эффективности промывки масса находится в состоянии высокой турбулентности и высокой текучести.

И еще одна задача изобретения заключается в создании устройства для промывки целлюлозной массы, которое позволяет повысить производительность промывки и, следовательно, уменьшить производственные площади под оборудование, снизить расходы на трубопроводы и насосное оборудование и снизить капитальные затраты по сравнению с существующим оборудованием, обеспечивающим такую же степень промывки.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство для промывки целлюлозных волокон содержит полый корпус, патрубки для входа и выхода волокнистой суспензии, первый и второй неподвижные цилиндрические промывочные фильтры для пропускания жидкости и задерживания волокон, причем первый фильтр расположен соосно внутри второго фильтра с радиальным зазором, средство для возбуждения пульсаций в суспензии, способствующей просачиванию жидкости сквозь фильтры, входной патрубок, сообщающийся с внутренним пространством корпуса для ввода промывочной жидкости, смешивания ее с суспензией и замены жидкости, при этом полый корпус имеет аксиальные герметизированные камеры для приема потока суспензии целлюлозных волокон, первый и второй фильтры расположены коаксиально внутри полого корпуса, и устройство также содержит систему каналов внутри корпуса для аксиального перемещения суспензии по одной стороне первого фильтра, а затем в обратном аксиальном направлении по одной стороне второго фильтра, средство для сообщения суспензии осевой скорости для перемещения по первому и второму фильтрам и средство для сообщения суспензии скорости, имеющей касательную и радиальную составляющие, для удаления из нее воды при движении по фильтрам, а средство для возбуждения пульсации обеспечивает пульсации в суспензии на одной стороне фильтров.

Наличие в полом корпусе устройства аксиальных герметизированных камер, системы каналов, средства для сообщения суспензии осевой скорости и средства для сообщения суспензии скорости, имеющей касательную и радиальную составляющие, обеспечивает возможность непрерывного действия устройства для промывки целлюлозы, что позволяет повысить его производительность без увеличения необходимой производственной площади, а также обеспечивает его работу без образования пены. Непрерывная работа устройства позволяет повысить качество промываемой массы при минимальном расходе свежей промывочной жидкости. Результатом всего перечисленного является повышение производительности промывки и, следовательно, уменьшение производственных площадей под оборудование, снижение расходов на трубопроводы и насосное оборудование и снижение капитальных затрат по сравнению с существующим оборудованием, обеспечивающим такую же степень промывки.

Средство для возбуждения пульсаций может включать вращающийся барабан, который аксиально расположен внутри полого корпуса с зазором между первым и вторым промывочными фильтрами и который может иметь по существу цилиндрическую поверхность с множеством выступов, при этом эти выступы могут иметь по существу полусферическую форму.

Кроме того, входной патрубок для промывочной жидкости может быть расположен так, что эта жидкость поступает между первым и вторым фильтром.

При этом барабан выполнен цилиндрическим и смонтирован с возможностью вращения вокруг своей оси между фильтрами для направления потока суспензии и одновременного возбуждения пульсации массы с высокой частотой и малой амплитудой. Кроме того, барабан одновременно сообщает целлюлозной массе радиальную и касательную или тангенциальную скорости, интенсифицируя проникновение промывочной жидкости сквозь фильтры. При двух или трех цилиндрических фильтрах и нескольких вращающихся цилиндрических барабанах существенно повышается производительность с обеспечением удовлетворительной или даже повышенной степени промывки волокон.

Другие цели, преимущества и характеристики изобретения, а также другие примеры его осуществления станут более понятны из описания, формулы и чертежей, на которых
Фиг. 1 изображает вертикальный осевой разрез предложенного устройства для промывки целлюлозных волокон;
Фиг. 2 изображает вертикальный осевой разрез другого варианта выполнения предложенного устройства для промывки целлюлозных волокон; и
Фиг. 3 изображает увеличенный местный вид вращающегося барабана.

Подробное описание предпочтительных примеров выполнения изобретения
Цилиндрический полый корпус 10 (фиг. 1) имеет аксиальные герметизированные камеры для текучей целлюлозной массы, которая поступает в корпус через входной патрубок 11. Промытую массу из корпуса выпускают через выходной патрубок 12.

Стрелками показано движение потока массы и фильтрата в корпусе.

Внутри корпуса смонтированы первый 19 и второй 25 промывочные фильтры, сквозь которые последовательно проходит жидкость, отделившаяся от целлюлозных волокон при их движении по герметизированным каналам. Фильтры 19 и 25 выполнены в виде перфорированных цилиндров, расположенных коаксиально, причем фильтр 19 расположен внутри фильтра 25 с радиальным зазором.

При входе суспензии в корпус через патрубок 11 она течет в осевом направлении в камеру 17, где растекается радиально и далее течет в обратном осевом направлении по каналу 18 кольцевого сечения. В кольцевом канале 18 суспензия течет по одной стороне первого фильтра 19. Жидкость из суспензии целлюлозных волокон просачивается сквозь первый фильтр 19 в камеру 20, в которой она течет сначала аксиально, а затем радиально к выходному патрубку 13. При движении волокон по кольцевому каналу 18 варочный раствор отделяется от волокон, вытекая сквозь фильтр 19, и масса при этом сгущается.

Снаружи кольцевой канал 18 ограничен цилиндрическим вращающимся барабаном 21, который является средством возбуждения пульсаций и который расположен коаксиально внутри полого корпуса на роторе 22 с зазором между первым 19 и вторым 25 цилиндрическими фильтрами. Ротор и барабан связаны с приводом вращательного движения (не показан). Барабан может иметь профильную поверхность или поверхности для сообщения целлюлозной массе движения по окружности.

Вращение барабана вызывает пульсации с низкочастотной турбулентностью и перемешивание суспензии при ее движении по фильтрационной перегородке. Для интенсификации этого процесса на обеих цилиндрических поверхностях барабана выполнено множество выступов (см. фиг. 3). Барабан имеет выступы 28 на внешней поверхности и выступы 29 на внутренней. Эти выступы могут иметь различную форму, преимущественно полусферическую, и могут располагаться по всей длине оболочки. Выступы детально показаны только на фиг. 3 и не показаны на фиг. 1 и 2.

Вращение барабана позволяет внести некоторые изменения в скорости суспензии, которая в целом имеет касательную и радиальную составляющие. Осевая составляющая скорости суспензии в общем случае обеспечивается разностью давлений на входном патрубке 11, через который суспензия втекает в промывочное устройство, и выходном патрубке 12, через который промытая масса вытекает. Вращение барабана 21 создает касательную составляющую скорости. Радиальная составляющая скорости обеспечивается разностью давления на фильтрах и пульсацией массы под действием профильной поверхности вращающегося барабана.

При движении суспензии в осевом направлении между фильтром 19 и барабаном 21 (влево, как показано на фиг. 1) она достигает промывочной камеры 23, где через входной патрубок 16 в нее может быть добавлена промывочная жидкость, которая смешивается с волокнами суспензии и заменяет жидкость, отделяемую через фильтры от волокон суспензии при их движении по аксиальному каналу 18. Затем суспензия меняет направление, как показано стрелками, и течет аксиально в обратном направлении по кольцевому каналу 24. Канал 24 образован наружной поверхностью барабана 21 и цилиндрическим фильтром 25. Фильтр 25 изображен в виде двух цилиндрических полос, разделенных стенкой 25a; жидкость отделяется от волокон и сквозь фильтры поступает в камеры 26 и 27, а затем выходит из промывочного устройства по трубам 14 и 15. Вращающийся барабан 21 создает касательную и радиальную составляющие скорости суспензии, а осевую составляющую создает разность давлений на входном патрубке 11 и выходном патрубке 12.

В корпусе 10, который занимает относительно небольшое пространство, суспензия делает два полных осевых прохода по фильтрам 19 и 25. Затем промытая целлюлозная масса выходит через выходной патрубок 12.

В устройстве согласно другому примеру воплощения изобретения (Фиг.2) суспензия течет в камерах внутри цилиндрического корпуса 30 под действием разности давлений на входном патрубке 31 и выходном 32.

После введения суспензии в цилиндрический корпус через входной патрубок 31, она течет по кольцевому каналу 33, образованному цилиндрическим промывочным фильтром 34 и первым или внутренним барабаном 38. Пройдя в осевом направлении по внутренней стороне фильтра 34 (вправо, согласно фиг. 2), суспензия меняет направление в камере 39 и течет в обратном осевом направлении по кольцевому каналу 35, образованному цилиндрическим промывочным фильтром 36 и вторым наружным цилиндрическим барабаном 37. Барабаны 37 и 38 смонтированы на общем роторе 42 для вращения вокруг своей оси. Барабаны имеют выступы, выполненные аналогично выступам, изображенным на фиг. 3. Внутренний барабан 38 имеет выступы на своей наружной поверхности 38a, а барабан 37 имеет выступы как на внутренней, так и на внешней поверхностях (см. фиг. 3). Выступы создают пульсацию в суспензии, способствуя удалению воды сквозь промывочные фильтры. Кроме того, вращающиеся барабаны способствуют возникновению окружной или тангенциальной, а также радиальной составляющих скорости суспензии, текущей по поверхностям барабанов.

После изменения направления движения в камере 39 суспензия течет аксиально по каналу 35, фильтрат поступает в зону 49 между фильтрами и аксиально вытекает через выходной патрубок 48. При желании, промывную жидкость можно вводить в отсек 39.

Пройдя по каналу 35, суспензия снова меняет направление аксиального потока на обратное и течет по аксиальному каналу 43, омывая промывочный фильтр 44, состоящий из двух частей. Промывочный фильтр 44 закреплен на кольцевой стенке 45 и при этом фильтрат вытекает наружу из камер, находящихся за фильтром 44, по трубам 46 и 47. Перед тем, как суспензия поменяет направление и потечет в канал 43, она проходит по камере 40, где разбавляется промывной жидкостью, вводимой из трубопровода 41.

В варианте устройства, изображенного на фиг. 2, волокно омывает три промывочные поверхности и его промывка значительно более эффективна, причем на минимально возможной площади.

Так, в каждом из устройств, изображенных на фиг.1 и 2, суспензия течет в цилиндрическом корпусе вследствие разности давлений на входе и выходе устройства, а давление суспензии на фильтры вытесняет из нее жидкость. Так как волокнам сообщают осевую и тангенциальную скорости, то они не проходят сквозь отверстия фильтра, но если бы им сообщали только радиальную скорость, то проход был бы возможен. Суспензия внутри промывочного устройства имеет более низкую текучесть, чем на входе, что обусловлено удалением жидкости. Введенная промывочная жидкость заменяет выделенную жидкость и промывает волокна, удаляя растворимые и нерастворимые примеси.

Суспензию в последовательных промывочных зонах промывают несколько раз, разбавляя, смешивая, выделяя и заменяя раствор. Эффективность способа зависит от степени диспергирования волокон при смешивании, и степени экстракционной замены в конкретных условиях работы. Высокая степень смешивания достигается в промывочном устройстве благодаря ротору, который приводит барабан или барабаны во вращение в непосредственной близости от промывочных фильтров. Это уравнивает концентрацию растворенного вещества в объеме промывочного устройства в том случае, если высококонцентрированный раствор в суспензии смешивают с низкоконцентрированным фильтратом или чистой водой. После выравнивания концентрации растворенного вещества в варочном растворе, его отделяют с помощью фильтра. Суспензию, текущую в цилиндрическом корпусе, промывают несколько раз с многоразовым реверсированием осевого движения.

Роторы, несущие барабаны, не только вызывают пульсацию суспензии, но и сообщают волокнам в суспензии окружную скорость, обеспечивая их непрерывное течение по фильтрам без проникновения сквозь них, что способствует разделению жидкости и волокон. В приведенных предпочтительных вариантах устройства обеспечивается двукратное или троекратное реверсирование аксиального потока суспензии в оборудовании, и вполне возможно реверсировать его четыре и более раз, хотя описанные конструкции уже обеспечили высокую производительность.

Испытания показали, что в устройстве согласно изобретению по сравнению с устройством с одним промывочным фильтром, пропускная способность по суспензии увеличилась по меньшей мере на 50%, и составила 1700 л/мин, против 1135 л/мин. Это достигается по существу на той же производственной площади и при той же потребляемой мощности. Вполне возможны варианты конструкции, например, с применением средства для осветления фильтрата до различной степени чистоты в каждой зоне путем регулирования проходного сечения отверстий в фильтрах. Степень промывки, достаточную для обеспечения требуемой степени очистки волокон от варочного раствора, можно легко получить регулируя давление, скорость потока, число оборотов ротора и количество промывной жидкости, вводимой на различных стадиях процесса.

Несмотря на то, что устройство в первую очередь предназначено для промывки волокон и отделения нежелательных реагентов, типографских красок, коллоидных растворов, растворенных твердых веществ и т.п., этим оно не ограничено.

Герметизированное устройство для промывки целлюлозных волокон, включающее цилиндрический полый корпус 10, 30, в котором целлюлозную массу перемешают аксиально по множеству неподвижных цилиндрических коаксиальных промывочных фильтров 19, 25, 34, 36, 44 в аксиально обратных направлениях с помощью вращающегося барабана 21, 37. Вращающийся барабан расположен между промывочными фильтрами для побуждения фильтрации жидкости путем сообщения суспензии скоростей, имеющих касательную и радиальную составляющие для возбуждения местной пульсации суспензии. Данное устройство непрерывного действия обеспечивает повышение производительности без увеличения потребной производственной площади. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для промывки целлюлозных волокон, содержащее полый корпус, патрубки для входа и выхода волокнистой суспензии, первый и второй неподвижные цилиндрические промывочные фильтры для пропускания жидкости и задерживания волокон, причем первый фильтр расположен соосно внутри второго фильтра с радиальным зазором, средство для возбуждения пульсаций в суспензии, способствующей просачиванию жидкости сквозь фильтры, входной патрубок, сообщающийся с внутренним пространством корпуса для ввода промывной жидкости, смешивания ее с суспензией и замены жидкости, отличающееся тем, что полый корпус имеет аксиальные герметизированные камеры для приема потока суспензии целлюлозных волокон, первый и второй фильтры расположены коаксиально внутри полого корпуса, при этом устройство содержит систему каналов внутри корпуса для аксиального перемещения суспензии по одной стороне первого фильтра, а затем в обратном аксиальном направлении по одной стороне второго фильтра, средство для сообщения суспензии осевой скорости для перемещения по первому и второму фильтрам и средство для сообщения суспензии скорости, имеющей касательную и радиальную составляющие, для удаления из нее воды при движении по фильтрам, а средство для возбуждения пульсации обеспечивает пульсации в суспензии на одной стороне фильтров. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для возбуждения пульсации включает вращающийся барабан, аксиально расположенный внутри полого корпуса с зазором между первым и вторым промывочными фильтрами. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что барабан имеет по существу цилиндрическую поверхность с множеством выступов. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанные выступы имеют по существу полусферическую форму. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной патрубок для промывной жидкости расположен так, что эта жидкость поступает в корпус между первым и вторым фильтрами.