鼓式真空洗浆机真空水腿安装方式的分析与探讨.docx

摘要:根据鼓式真空洗浆机真空形成的基本原理,针对鼓式真空洗浆机水腿管的常见安装方式进行了分析讨论,并提出了规范合理的安装方式,以提高洗浆机的运行效率。关键词:鼓式真空洗浆机;水腿管;安装方式;真空度 在一定生产规模范围内,鼓式真空洗浆机(以下简称洗浆机)是目前我国黑液提取和漂白浓缩洗涤普遍采用的成熟可靠的洗涤设备,它主要利用大气水腿产生真空,水腿管的规范安装是保证该设备真空度适宜、从而提高设备运行效率的有效措施。本文根据真空形成的基本原理,针对实际生产中的几种水腿安装方式进行分析探讨,并提出了规范合理的安装方式。1真空形成的基本原理与有关要求真空洗浆机真空形成的原理和托氏真空基本相同,是靠水腿管不断排除滤液而形成真空的1。以洗浆机转鼓内一个“格子”为例,当它通过自然过滤区或真空过滤区时,滤液充满了格子,并不断排液,当转鼓转到水平中心线以上时,小室“格子”内的滤液受重力的作用,使它较快地排出而形成真空,在真空过滤区和置换洗涤区鼓面上喷淋滤液,可不断过滤洗涤浆料,以有利于洗涤液置换浆层中的滤液和提高浆层的干度。理论上,在水温4的密封管 路中, 1033 m的水、液柱落差相当于01MPa的真空,根据理论计算和生产实际,水腿安装有效高度一般不小于10 m,但由于不同滤液温度的蒸汽压力不同,而可能形成的最大真空度也不同,如80滤液对应蒸汽压力为0045 MPa,即理论上可能形成的最大真空度为0055MPa。而实际生产中由于高温滤液与空气不断进入系统中,并含有少量水蒸气,因此,水腿内下落和流动的物质实质是滤液、空气和水蒸气的混合体,它的物理性质及压力计算与纯液体不同,同时还有设备结构性能、介质性质、水腿管径、水腿安装方式、水封槽的形式结构等诸多影响因素,真空度通常为001004MPa。过高的真空度会将短纤维吸入网孔发生堵塞,反而影响过滤能力,因此,一般滤水性好的浆料真空度可达002004 MPa。滤水性差的浆料为001002MPa。根据国外生产商的技术介绍,硫酸盐木浆在0032MPa时的出浆浓度最高。根据各浆种的适宜真空度范围,如设备结构合理,辅助系统配套得当,要达到相应的理想真空度是不难的。因此,在设备结构、水平定性的前提下对辅助系统有以下要求:(1)整个真空系统负压部分均应严格密封,不许漏气。(2)要有足够的垂直安装高度,使水腿管少弯曲,以减少流体阻力和防止空气在水腿管逸出、停留及上窜。(3)要选择滤液在水腿管内适宜的流速,因为流速与浆种及管径大小有关,水腿直径及滤液流速见表12。原则上水腿管内的流速一定要大于空气上升速度,将系统中的空气和水蒸气完全带走。一要防止水量不足,不能充满管而使空气逸出上升;二要防止流速过高使管内产生湍流而损失功能,流体阻力损失见表22。(4)水腿管的水平走向要尽量缩短,以减少流体水平流动的阻力损失。有的厂估计,水腿管水平走向每米真空度损失约为093 kPa,在水平结构设计上要防止空气逸出而发生回窜现象和防止形成气、液界面的阻力损失。(5)滤液管必须采用合理的水封方式,避免空气回窜影响真空管或达不到良好的水封效果而影响真空。2几种水腿安装方式的案例分析根据托氏真空理论可知,水腿管内有一个与形成真空度大小相对应的“液气柱”,“液气柱”2以上的分配阀及真空脱水区为气、液共存区,因此滤液从转鼓进入水腿管进口的流速较慢,进入水腿管后,由于重力作用才加大了流速,在形成连续稳定的“液气柱”后才能形成理想而稳定的真空度,所以有效“液气柱”是形成真空的关键环节。根据气、液两相混合物的流体理论,气液两相在管内同时流动的压力损失,总是比其中之一以同样速度流动时大,其原因是在流动当中不断形成气、液界面,消耗机械能,在湍流状态下尤为严重3,因此,水腿安装要防止水、气界面交替形成,而减少阻力损失也是非常必要的。但在工程设计或设备安装中,通常有以下几种不同的水腿安装方式(见图1图4,深色部分气体含量少,浅色部分气体含量多,可视为气、液界面),安装方式对洗浆机真空度的形成均有一定的影响。21案例一图1所示的安装方式一般是由于土建梁板障碍或为使水腿垂直插入水封槽或为减少低部的水腿水平走向而造成的,提前采取的水平走向管路中的空气逸出形成气液界面,使“液气柱”有效高度缩短和流体阻力增大,从而降低了真空度,这种现象虽然比较少见,但也存在。如国内某厂漂白氯化段由于水封槽离水腿距离长,就按此方式安装水腿,洗浆机真空度不足001MPa,出浆干度8% 9%。根据情况进行了改造,按图4所示安装后真空度达到0018MPa,出浆干度提高到10% 11%。22案例二图2所示的安装方式一般是为将水腿垂直插入水封槽或因下层有障碍而使水腿提前拐弯,不但减少了水腿的有效“液气柱”,而且还增加了液体的冲击阻力,进而影响真空度。这种现象虽然较少,但时有发生,如国内某厂的麦草浆漂白段由于采用直筒式水封槽,因此将水腿安装到池顶位置后就拐弯至水封槽上端插入水封槽,使洗浆机真空度在0005 MPa左右,按图4所示改造后真空度达到0022MPa,生产效率大幅度提高。23案例三图3所示的安装方式一般是为减少水平方向的阻力损失而进行的,这是经常使用的一种安装方式,由于水腿大幅度倾斜而下使空气连续不断地上升逸出并形成比较长的气、液界面,使整个水腿未形成连续稳定的“液气柱”,严重影响了真空的形成。如国内某厂的竹浆黑液提取段按此方式安装,真空度只有0005 MPa,按图4所示改造后,真空度提高到0028MPa,出浆干度达到12%以上。24案例四图4所示安装方式是一种常见的且比较规范的安装方式,采用的水封槽是国外20世纪5060年代就应用的“分离器”(SealChamber),水腿于切线方向进入中心筒的上部,黑液在中心筒内作旋转运动时,由于离心力作用黑液进入中心桶内呈抛物形液面,抛物面的最高点高于水腿管进口处,从而起到水封作用,黑液水平流动沿水腿半径方向各点的静压强不同,离中心越远的地方静压强就越高,离中心越近的地方静压强就越低,因此在旋风中心筒内形成压差,这种压差能把空气从黑液中赶出来1,但唯一的缺陷就是在安装水平走向管时没有采取变径措施,根据流体力学原理,水、气混合介质的流体阻力比较大,尤其是在流速高的湍流状态下更为严重,因此,这种安装方式如距水封槽距离近尚可,如远离水封槽必然会增加流体阻力损失而影响真空度。3水腿管的合理安装方式依据托里拆利真空形成原理和液、气混合体流体阻力损失理论,保持水腿有效“液气柱”和防止在高流速状态下气、液界面形成均是非常关键的要素,因此,水腿管应上下垂直安装,最低端管路中心应与滤液槽水封接口的水平线基本一致。根据国内有关资料介绍,为保证槽内液体液位稳定和黑液槽具有合理的自然消泡空间,黑液槽的高度最好等于或略大于直径4,以较大的面积来缓冲液位的稳定和增加黑液自然消泡的效果及延长自然消泡时间,而保证黑液槽内呈微负压状态,这与国外提供的黑液槽规格数据和设计理念基本相似。但就我国目前工业厂房建筑模数,厂房的柱距基本是6 m,因此黑液槽的最大直径为55 m (个别设计柱距75 m,黑液槽的最大直径也只能为70 m)。为尽量满足黑液槽的体积要求只有加高黑液槽,如要充分满足大直径黑液槽,尤其是满足大规模化学浆生产的要求,黑液槽就需布置在室外,不但增加了水腿管的水平段长度,也给空气和水蒸气的逸出创造了条件,因此,为防止水平走向过程气体的逸出回窜和防止气、液界面下的湍流阻力损失,无论水平管距离长短,均应按图5所示方式设计,这是国外洗浆机普遍采用的一种规范安装模式,水腿管上下垂直安装,在水腿水平拐弯后根据距离水封槽的距离,按垂直水腿管径的1520倍采用偏心异径管变径,保证底平上凸的变径安装(见图6),并将水腿管按介质流动的方向向上翘13以保证水封。这种结构使流体速度降低,也使逸出的气体聚集在管道的上部从而随流体进入水封槽,可大幅度降低流体阻力,有利于气液分离,可有效减少泡沫形成和提高洗浆机的真空度。国内某厂竹浆黑液提取用100 m2洗浆机,将大直径黑液槽安装在室外,水腿管水平走向距离约在6m左右,按DN400到DN700变径,使洗浆机真空度达到0035MPa,洗浆机产量达到5 t/(m2d)风干浆以上,比常规设计选型提高产量20%以上,出浆干度达到13%左右,运行效果非常理想。4结语经过水腿安装案例分析和生产实践,保证水腿管的有效“液气柱”和防止湍流状态下的气、液界面的形成,是保证鼓式真空洗浆机真空度的关键措施。因此,在洗浆机水腿管的安装中一定不可忽视,要严格按照规范配管,如规范安装再加之合理设计水封槽和选用适宜规格的黑液槽等,使洗浆机辅助设施合理匹配,降低洗浆机水腿落差,也能保证适宜的真空度,并有效降低土建费用和提高洗浆机的生产效率。 参考文献1李锦林.大气水腿管在真空洗浆机上的应用 J.中国造纸,1996, 15(6): 47.2郭长裕,刘善桂,孙桂林,等.鼓式真空洗浆机用于木浆洗涤水腿压力的计算探讨J.中国造纸, 2008, 27(5): 51.3谭