間隙蒸煮過(guò)程優(yōu)化(一)——初期木片藥液滲入研究(發(fā)表).doc

間隙蒸煮過(guò)程優(yōu)化（一）初期木片藥液滲入研究許向陽(yáng) 祝和云 孫優(yōu)賢（浙江大學(xué)工業(yè)控制研究所，杭州，310027）摘要：間隙蒸煮過(guò)程中，木片被藥液浸沒(méi)后，藥液在木片中的滲入上受多種因素影響的。滲入不完全往往造成蒸煮不均勻，影響漿的得率。本文從機(jī)理上分析藥液在木片中的滲入過(guò)程，研究在各種因素變化情況下對(duì)滲入的影響，建立滲入的數(shù)學(xué)模型，為蒸煮過(guò)程的優(yōu)化作一定基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：間隙蒸煮過(guò)程，滲透，擴(kuò)散，滲入模型，毛細(xì)管一、 引言有關(guān)蒸煮過(guò)程的工藝研究從本世紀(jì)初就有很多，人們?cè)诟行陨蠈?duì)其已有較深的認(rèn)識(shí)。但由于蒸煮工藝的復(fù)雜性、多變性等原因，還未能很好地建立起一個(gè)完善的模型，并將其用于優(yōu)化。蒸煮過(guò)程所受到的工藝上的影響因素非常之多，如木片的大小尺寸、形狀、均勻度、品種、老嫩、新舊、樹(shù)皮和木節(jié)的含量、干濕情況、裝鍋情況（如蒸汽裝鍋、鍋內(nèi)堆積情況等）；藥液濃度、溫度、粘度、組分、藥液循環(huán)情況、加熱情況等。過(guò)去人們所做的工作中，大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察蒸煮結(jié)果，直接尋求某個(gè)因素的變化引起的蒸煮情況的變化規(guī)律813。這些規(guī)律的獲得為蒸煮過(guò)程的正確操作提供了很大的幫助，也為蒸煮建模提供豐富的數(shù)據(jù)資源。但這些規(guī)律往往不能體現(xiàn)影響的內(nèi)在機(jī)理。也有人從機(jī)理上探求蒸煮的脫木素過(guò)程，如R.,R.,Gustafson等4建立的藥液擴(kuò)散模型具有較好的理論依據(jù)；Y.,L.,Sidrak 5對(duì)連蒸過(guò)程建立模型后實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。但僅有的這些工作是有限的，模型中有較多簡(jiǎn)化，許多因素的影響都無(wú)法考慮。蒸煮首先進(jìn)行的是藥液在木片中的滲入過(guò)程。初期滲入進(jìn)行的好壞直接影響到蒸煮的質(zhì)量和產(chǎn)量；而滲入又很大程度地受到木片及藥液等一些因素的影響，尤其是木片的尺寸、干燥程度、品種、老嫩，藥液的濃度、組分和溫度等。在對(duì)蒸煮過(guò)程進(jìn)行機(jī)理分析的時(shí)候必須分析藥液滲入這一環(huán)節(jié)。精確的滲入模型將為良好預(yù)測(cè)漿的質(zhì)量和產(chǎn)量提供前提條件，本文正是出于這一目的，對(duì)藥液在木片中的滲入過(guò)程進(jìn)行較深入的研究，并由此建立起機(jī)理模型，用以分析各種變化因素對(duì)滲入帶來(lái)的影響。二、 木纖維物理結(jié)構(gòu)滲入過(guò)程在很大程度上受到木纖維物理結(jié)構(gòu)的影響，因此在分析滲入過(guò)程之前，必須首先研究木纖維及與之有關(guān)的物理特性。以下主要以針葉木馬尾松為例進(jìn)行討論。首先從圖一馬尾松三向剖面圖可以看到木纖維細(xì)胞的排列和分布情況。對(duì)針葉木，水份和養(yǎng)料主要靠纖維細(xì)胞的細(xì)胞腔運(yùn)送，從圖中可看到早材和晚材細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔有較大差異。馬尾松早材平均腔徑為33.1mm，晚材平均腔徑為16.6mm。由纖維細(xì)胞細(xì)胞腔形成的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)也主要負(fù)擔(dān)藥液的滲透和擴(kuò)散工作。由于纖維細(xì)胞排列的一致性，藥液滲透呈各向異性，主要沿木片徑向滲透，橫向滲透幾乎等于零。藥液擴(kuò)散亦是如此。而當(dāng)纖維細(xì)胞壁浸沒(méi)在pH12的溶液中時(shí)，有研究表明細(xì)胞壁的膨脹使藥液能橫向擴(kuò)散，并與徑向速度相近。因此未經(jīng)預(yù)浸澤的木片在蒸煮初期，藥液的滲透和擴(kuò)散都僅在徑向進(jìn)行。木片早材和晚材的結(jié)構(gòu)差異很大，晚材細(xì)胞壁厚，腔小，這對(duì)滲透是不利的。但由于滲透的阻力主要來(lái)自細(xì)胞之間的紋孔(以下將分析到)，而早材腔徑大，要求容納的藥液更多，實(shí)際上晚材比早材滲透還略快些?？梢曉?、晚材滲透情況一致，即整塊木片滲透在橫向是一致的。初期的擴(kuò)散作用也類(lèi)似。圖一、馬尾松木纖維細(xì)胞排列纖維細(xì)胞的細(xì)胞壁上存在大量的紋孔，構(gòu)成細(xì)胞與細(xì)胞之間的通道。樹(shù)木細(xì)胞間水分和養(yǎng)料的傳輸就是通過(guò)紋孔進(jìn)行的。橫向木射線細(xì)胞細(xì)胞壁上也存在大量紋孔，與纖維細(xì)胞壁上的紋孔構(gòu)成交叉場(chǎng)紋孔，形成水分和養(yǎng)料一定程度的橫向傳輸(可忽略)。針葉木紋孔內(nèi)徑一般在3.0mm左右。木片蒸煮過(guò)程中，藥液的滲透和擴(kuò)散都經(jīng)紋孔流向另一細(xì)胞腔。由上討論，木片的毛管結(jié)構(gòu)基本為由紋孔相連的纖維細(xì)胞細(xì)胞腔，管徑在紋孔處小，在細(xì)胞腔處大，呈周期變化，如圖二所示。三、 滲透機(jī)理由流體滲透原理，對(duì)圖二毛細(xì)管徑呈周期變化的毛管來(lái)說(shuō)，其滲透的阻力主要來(lái)自孔頸(紋孔)處，而滲透的推動(dòng)力卻主要來(lái)自管徑大的管段(細(xì)胞腔)。因此其等效管徑并不能從其物理管徑求平均而得，其值往往要比孔頸管徑小得多。設(shè)等效管徑為，由Washburn方程：(1) 其中v為毛細(xì)移動(dòng)速度，m/s；s為藥液表面張力，N/m；m為藥液粘度，；h為毛細(xì)移動(dòng)距離，m?？傻闷浞e分形式：(2) 從該式可直接看出滲透過(guò)程與各物理因素的關(guān)系。可利用該式測(cè)取木片的等效毛細(xì)管徑，也可將之用于求取滲透時(shí)間。木片和藥液對(duì)滲透的影響因素有部分是在公式(2)中體現(xiàn)出來(lái)的，如h反映木片尺寸，部分體現(xiàn)了木片的品種；而s、m反映的是藥液的物理特性。剛裝鍋的木片都不同程度含有水分，所含水分部分存在于細(xì)胞腔內(nèi)。當(dāng)藥液從木片徑向兩端滲入時(shí)，將驅(qū)替這些水分往中間走，直到使其全部集中于木片中部，滲透即停止進(jìn)行，之后進(jìn)行的是藥液組分在水中的擴(kuò)散。以上兩步并不是完全分開(kāi)進(jìn)行的，往往同時(shí)就發(fā)生了，但為了建模方便，設(shè)其按兩步分別進(jìn)行。四、 初期藥液擴(kuò)散設(shè)集中木片中部的水柱長(zhǎng)2L，如圖三，在徑向建立x軸坐標(biāo)。設(shè)t時(shí)刻，x位置藥液的濃度為C(x,t)，mol/L。首先作如下假設(shè)：A1)藥液段濃度不變，視為集中參數(shù)；A2)兩頭滲透完全對(duì)稱(chēng)；A3)初期擴(kuò)散時(shí)忽略脫木素反應(yīng)帶來(lái)的藥液濃度降低；A4)藥液為NaOH溶液；建立擴(kuò)散方程：(3) 其中D為擴(kuò)散系數(shù)，可由下式估算而得：(4) 其中T為絕對(duì)溫度，K；R為氣體常數(shù)，。水柱中部有：(5) 水柱邊緣有：(6) 由以上幾式可以看到擴(kuò)散過(guò)程與木片的毛細(xì)管徑無(wú)關(guān)，與之相關(guān)的是木片尺寸，藥液濃度和溫度。對(duì)(36)式進(jìn)行有限差分得離散算式：(7) 其中j表示將水柱從邊緣到中心N等分后所處的第j個(gè)位置；k表示時(shí)間序列；為采樣時(shí)間，s；為等分后每等份的長(zhǎng)度，m。另有：(8) (9) 其中為藥液處的藥液濃度；(9)式表示水柱兩端擴(kuò)散完全相同。五、 仿真及回歸木片縱向滲入過(guò)程僅在蒸煮初期進(jìn)行，當(dāng)木片中藥液濃度超過(guò)pH=12時(shí)，由于纖維細(xì)胞壁的膨脹使藥液擴(kuò)散的各向異性消失，橫向的滲入具有與縱向相同的速度。由于木片厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度，因此之后可忽略藥液的縱向滲入。為便于今后計(jì)算，將以上模型通過(guò)仿真回歸成算術(shù)表達(dá)式，也可直接觀察各影響因素對(duì)滲入過(guò)程的影響。以馬尾松為例進(jìn)行仿真。設(shè)，H=5cm，藥液濃度為1.5mol/L。T=373K時(shí)?。ㄔ搩芍翟谒幰号浔炔煌瑫r(shí)會(huì)有變化，本文只取其近似值）。滲入時(shí)間的計(jì)算以木片中心pH12時(shí)為終點(diǎn)。1、木片含水量對(duì)滲入時(shí)間的影響含水量以完全干燥計(jì)0%，完全濕潤(rùn)計(jì)100%進(jìn)行計(jì)量，按以上條件，仿真得不同點(diǎn)含水量藥液完全滲入木片的時(shí)間列于表1。含水量%0102030405060708090100滲入時(shí)間min3.476.8717.735.961.694.7135.3183.3238.7301.5372.0表1、木片含水量對(duì)滲入時(shí)間的影響由表1回歸得滲入時(shí)間與含水量的關(guān)系式為：(10) 其中為滲入時(shí)間，s；U為含水量，%。由(10)式可看出滲入時(shí)間與含水量成平方關(guān)系。2、木片長(zhǎng)度的影響木片徑向長(zhǎng)度以平方關(guān)系影響滲透時(shí)間。對(duì)擴(kuò)散，我們仿真不同長(zhǎng)度完全濕潤(rùn)木片滲入時(shí)間，列于表2：H，cm1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0，min14.959.5133.9238.0372.0535.5728.8951.912051487表2、木片長(zhǎng)度的影響由表2回歸得擴(kuò)散時(shí)間與木片長(zhǎng)度間的關(guān)系：(11) 其中為滲入時(shí)間，s；H為木片徑向長(zhǎng)度，m；可看出完全擴(kuò)散時(shí)間與木片徑向長(zhǎng)度成平方關(guān)系。3、溫度的影響滲透與溫度的關(guān)系較復(fù)雜。公式(2)中，溫度影響系數(shù)和。但由于滲透時(shí)間在整個(gè)滲入時(shí)間的比率較小，溫度在其中的影響對(duì)整個(gè)滲入時(shí)間可以忽略。對(duì)于擴(kuò)散，T通過(guò)(4)式影響擴(kuò)散系數(shù)D，對(duì)擴(kuò)散時(shí)間有明顯的作用。在藥液濃度為1.5mol/L，H=5cm時(shí)不同溫度下仿真完全濕潤(rùn)木片的滲入時(shí)間得表3：T，K333343353363373383393，min866.5688.9554.6451.7372.0309.1259.3T，K403413423433443，min219.4187.0160.6138.9120.8表3、擴(kuò)散時(shí)間與溫度的關(guān)系回歸得：(12) 其中，s。4、藥液濃度的影響藥液濃度不影響滲透時(shí)間，但影響擴(kuò)散時(shí)間。為獲得它們的關(guān)系，仿真完全濕潤(rùn)木片在不同濃度藥液中的滲入時(shí)間如表4：C，mol/L1.01.11.21.31.41.51.6，min407.4398.4390.6384.0377.4371.0366.6C，mol/L1.71.81.92.0，min362.4357.6354.0349.8表4、藥液濃度的影響回歸得：(13) 其中，s。5、綜合由(10)、(12)、(13)、(2)、(11)式得滲入時(shí)間與木片含水量、木片尺寸、有效孔徑、溫度和藥液濃度的關(guān)系為：(14) 其中，s；其余參數(shù)定義如前。六、 結(jié)論公式(14)中所含的影響因素有木片尺寸、干燥程度(含水量)、品種，藥液的濃度、組分，以及溫度等。在蒸煮裝鍋時(shí)如果能較好地掌握這些參數(shù)，了解參數(shù)分布的均勻情況，利用該式就能對(duì)蒸煮初期的藥液滲入情況及滲入的均勻度分布有較好的了解，加入蒸煮升溫過(guò)程中后期的藥液滲入情況(橫向擴(kuò)散)，就有可能建立蒸煮藥液滲入的全面的模型。另外，從公式(14)可以看出，木片尺寸和含水量都以平方關(guān)系影響，這兩個(gè)參數(shù)分布不均勻或變化較大都將較大地影響蒸煮質(zhì)量，并影響產(chǎn)量。木片品種對(duì)滲入的影響不大，但不同品種木片的木素含量及其它組分含量相差很大，對(duì)脫木素過(guò)程的影響不在這里反映。參考文獻(xiàn)：1 . 隆言泉, 制漿造紙工藝學(xué), 輕工業(yè)出版社, 19872 . 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