乙醇法麦草制浆闪蒸系统设备的研究

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乙醇法麦草制浆闪蒸系统设备的研究 张勇　尚久浩 　　提　要　针对乙醇法制浆的药液回收系统，根据制浆回收工艺和节能要求，本论文研究设计了直接式和涡轮式两种闪蒸器。 　　关键词　乙醇法制浆　回收　环保　闪蒸　涡轮　风机 　　Abstract　Being aimed at the recovery system of ethanol pulping,and based on the techniques requirement of recovery processing and energy-saving expectation,two kinds of flash tank,directed and turbine based,are designed in this paper. Keywords　Ethanol-Pulping　Environment-Preservation　Recovery　Flashing　Turbine Fan 引　言 　　80年代末，加拿大Repap公司成功开发了环保型制浆技术(Alcell法)。它彻底抛弃了传统制浆的做法，完全不涉及复杂、昂贵的碱回收系统，是环保型制浆法中的佼佼者。它采用高温乙醇-水药液蒸煮木片或草料，使木素溶解出来以分离纤维；通过对蒸煮药液进行回收处理，可以方便地回收乙醇药液和木素、醋酸、糖醛等制浆副产品。它充分挖掘了自然资源的经济利用价值，具有无污染、投资小、副产品价格高、浆性好等优势。因此，开发适合于我国中小型制浆厂需要的乙醇法麦草制浆技术就显得非常重要。 　　蒸煮药液的回收过程是乙醇法麦草制浆的核心技术之一，而闪蒸系统及其闪蒸器是回收系统的重要设备。根据乙醇法麦草制浆工艺要求及借鉴Alcell法的经验，以节能、实用为宗旨，我们为乙醇法制浆系统设计了两种闪蒸器。 1　制浆系统的蒸煮药液回收流程及设计要求 　　乙醇法制浆系统能连续生产，必须有一套药液和副产品的回收装置(见图1)。从图中可以看出闪蒸部分及其闪蒸器是回收系统的关键装置之一。 　　适宜于中小制浆厂生产能力(年产20000吨浆)，可算出：蒸煮抽提锅的容量为85m3(实际塔容为75 m3)，一锅麦草料的量为6550 kg。5个蒸煮锅交替配合使用。采用三段抽提木素的方法，因此蒸煮药液储罐中木素的含量为一锅麦草料木素含量的65%～75%。在麦草中，木素的含量为22.34%，所以，蒸煮药液储罐中木素的含量为950～1050 kg。参照蒸煮药液储罐药液的总量52400～55000 kg，则蒸煮药液储罐木素含量为2%左右。 　　蒸煮药液储罐的药液(140℃、13 atm、50%)经过闪蒸槽(器)常压闪蒸后，绝大部分乙醇和部分水被蒸发出来。乙醇蒸气冷凝后可得到新鲜的乙醇-水溶液，浓度在78%以上。闪蒸后残余蒸煮药液乙醇的浓度减小为8%左右，木素的浓度增加到30%～35%，同时还含有30%～40%的醋酸、糖浆等副产品，所以木素已基本凝结沉淀出来。为了使木素有比较高的纯度，在闪蒸后的黑液中要加入适量的稀酸溶液，以便洗出残留在木素中的醋酸、糖浆。黑液中出现的木素沉淀，可采用圆网浓缩分离机分离出饼状的木素，送干燥器进行干燥，最后包装成为商品乙醇木素。残液送药液蒸馏塔进一步回收乙醇，同时回收醋酸和糠醛。                                 登录/注册后可看大图

图1　药液和副产品回收系统原理图 　　闪蒸器在乙醇和木素回收中起着重要的作用，其功能是使蒸煮储罐的药液卸压，同时使药液中的乙醇蒸发出来。考虑到设计的简便易行性和节能原则，有两种设计方案可供选择。 1.1　直接式闪蒸器的设计方案 　　如图2所示，高温高压药液从闪蒸槽的进液口进入到闪蒸管束。管束上向上开有许多小孔，直径为3～4 mm。药液经过小孔后大幅度减压并高速喷出，产生大量的乙醇-水蒸气。这时候绝大部分的乙醇和水便蒸发出来，不能蒸发的药液从闪蒸槽的底部出液口排出。为了防止高速药液的冲击对设备的损害，在管束小孔的上方加装了挡流板。为了使乙醇-水蒸气快速进入到冷凝设备，同时使闪蒸槽内保持适当的低压(和环境压力相当)，在闪蒸槽的顶部出蒸气口部位安装鼓风机。                                 登录/注册后可看大图

图2　直接式闪蒸器设计原理示意 　　蒸煮药液储罐药液的闪蒸是连续进行的，根据制浆产量的生产能力，考虑到蒸煮一锅浆的时间为2～3小时和5个蒸煮塔交替进行生产的工序，确定出闪蒸槽的生产能力为115000 kg/h(即每秒钟32 kg)。根据这个基本数据，设计闪蒸槽的主要参数。 　　进液口直径：150 mm(药液流速为2 m/s) 　　残余药液出口直径：100 mm 　　蒸气出口直径：800～1000 mm 　　闪蒸管束开孔总面积：950～1150 mm2 　　闪蒸槽直径和容量：2000～2500 mm,7～8.5 m3 　　鼓风机气体流量：18 kg/s，风量每秒钟大约为8～9 m3 1.2　涡轮式闪蒸器的设计方案 　　由于蒸煮药液储罐中的药液具有较高的压力，最高时可达13 atm。这样高的压力药液可以直接产生巨大的可用机械能，估计一储罐压力药液的可用机械能为38000～40000kJ。如果闪蒸槽的生产能力为每秒钟处理药液32 kg的话，这意味着从压力药液中可得到的机械功率25 kW，数量是相当可观的。这部分机械能可通过涡轮转换成轴功率，带动鼓风机叶片旋转(可采用齿轮变速装置)，从而减去了鼓风机的电能消耗，实现了闪蒸槽的无能耗操作，同时也避免了高速药液射流对设备的冲击。 　　如图3所示，蒸煮储罐中的高压高温药液，从闪蒸槽的底部进液管进入涡轮腔室，推动涡轮叶片转动。通常带动涡轮-风机轴转动，从而带动鼓风机叶片旋转，加快了乙醇蒸气流动速度，并保持了闪蒸槽内的较低压力。药液经过涡轮机多级叶片后，进入蒸发管槽进行蒸发，使绝大部分乙醇和部分水蒸发出来。残余的药液经过底部出液口送到过滤器。                                 登录/注册后可看大图

图3　涡轮式闪蒸槽设计原理示意 　　闪蒸器有关的流体转动部件涡轮和风机工作工况的计算依据，可参考流体机械设计方面的资料。涡轮、风机总体方面设计的计算依据如下： 2　涡轮式闪蒸器的基本计算 　　图4所示为闪蒸器流体转动机械涡轮、风机工作示意图。假设蒸煮药液为不可压流体，药液流经涡轮进口、涡轮出口的速度不变。因此，根据流体向外界输出机械能的流体流动能量方程得：                                 登录/注册后可看大图

图4　闪蒸器流体机械示意图                                 登录/注册后可看大图 　　(1) 式中：WT—蒸煮药液输给涡轮的功率〔J(瓦)〕 　　　PT1、PT2——分别表示涡轮进口、出口处蒸煮药液的压力，Pa，其中PT2的值大致为常压(1 atm) 　　　ρ—药煮药液的密度(kg/m3) 　　　v—药液流经涡轮的速度(m/s) 　　　D—药液流经涡轮的有效涡轮函道内径(mm) 　　　∑hwf—药液流经涡轮时克服流阻的能量损失〔J(瓦)〕，由于涡轮的函道比较短，此项在工程计算中可忽略不计 　　药液流经涡轮函道的速度v值和涡轮进口处的压力PT1二者之间的关系可表示为式2：                                 登录/注册后可看大图 　　(2) 式中：P0—蒸煮药液储罐药液的压力(Pa) 　　另外，药液的速度v还直接决定着闪蒸器的生产能力；特别重要的，药液的速度v还与涡轮、风机的工作转速密切相关。 　　一般风机分离心式和轴流式两种。在闪蒸器中，我们选用轴流式。风机的主要性能参数风量Q(m3/s)、风压HT(Pa)、轴功率N(kW)和效率η，由于气体通过风机时压力变化较小，故风机中的气体可视为不可压流体。假设风机进口截面处参数的下标1，出口截面处为2，则由流体流动能量方程得：                                 登录/注册后可看大图 　　(3) 　　上式计算的风压HT为全风压，一般在风机的性能表中标出标准状况(20℃、1 atm、空气)的风压。在实际应用中的风压HT′需要换算成标准值，根据标准值HT选用风机，换算公式如下：                                 登录/注册后可看大图 　　(4) 计算风机功率的公式为：                                 登录/注册后可看大图 　　(5) 　　由于风机输送的气体是乙醇-水蒸气，属于易燃易爆性气体，所以风机的叶片与机壳应该为有色金属材料，如用铝等材料制造。生产能力同方案一，为115000 kg/h(32 kg/s)。根据这个基本数据，涡轮式闪蒸槽的主要参数： 　　进液口直径：150 mm 　　药液有效流通横截面面积：7850～8200(mm2) 　　药液流速：5～6 m/s 　　残余药液出口直径：100 mm 　　蒸气出口直径：800～1000 mm 　　蒸发管槽出口(水轮机出口)总面积：7800～9500 mm2 　　闪蒸槽直径和容量：2000～2500 mm,7～8.5 m3 　　鼓风机和水轮机轴功率：12～14 kW，风量每秒钟大约为8～9 m3 3　结论 　　本论文研究设计的两种闪蒸器，为乙醇法制浆系统的药液回收部分提供了可行的方案。尤其是所提出的涡轮式闪蒸器方案，风机不用电能，闪蒸可自动调节工作，实现了能量的高效利用，具有十分重要的实际意义。 作者简介　张　勇，男，生于1966年7月，1989年毕业于北航热动力系，讲师，现在西北轻工业学院机械系过程设备与控制教研室任教，1999年在本校获得轻工机械硕士学位。已发表各类研究论文(力学、流体机械、专业英语)10余篇。 张勇(西北轻工业学院　咸阳　712081) 　尚久浩(西北轻工业学院　咸阳　712081) 参考文献 1，Salman Aziz.Organosolv pulping-a review.1989 Tappi Journal,1989 2，E.Kendall Pye.The AlcellTM Process.1991 Tappi Journal,1991 3，张　勇.乙醇法麦草制浆蒸煮加热、抽提过程及闪蒸系统的研究实际.西北轻工业学院硕士学位论文，1999 4，陈海峰.乙醇法麦草制浆蒸煮设备的研究与设计.西北轻工业学院硕士学位论文，1998 5，姚玉英编.化工原理(上、下册).天津科学技术出版社，1992