紙漿中濃混合技術(shù)與設(shè)備

崔紅艷

（山東輕工業(yè)學(xué)院山東省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250353）

紙漿中濃混合技術(shù)與設(shè)備

崔紅艷

（山東輕工業(yè)學(xué)院山東省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250353）

傳統(tǒng)造紙生產(chǎn)中，制漿過(guò)程大部分是在低濃度條件下進(jìn)行的。由于濃度低，工藝流程復(fù)雜，廢液量大，使得傳統(tǒng)造紙工業(yè)中存在的污染嚴(yán)重和水、電消耗大的問(wèn)題日益突出，同時(shí)存在占地面積和操作成本大等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了造紙工業(yè)的發(fā)展。國(guó)外自20世紀(jì)70年代以來(lái)一直在研究和探索高效率、少污染、低能耗的制漿新工藝。其中，中濃技術(shù)是一項(xiàng)值得研究和推廣的實(shí)用技術(shù)。

中濃技術(shù)；流體化；中濃混合；中濃混合器

傳統(tǒng)造紙工業(yè)生產(chǎn)中，制漿過(guò)程大部分是在低濃度條件下進(jìn)行的。由于濃度低，工藝流程復(fù)雜，廢液量大，使得傳統(tǒng)造紙工業(yè)中存在的污染嚴(yán)重和水、電消耗大的問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重限制了造紙工業(yè)的發(fā)展。環(huán)境問(wèn)題是制漿造紙工業(yè)面臨的最緊要的問(wèn)題之一，其中尤以漂白廢液對(duì)環(huán)境的影響最為嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)制漿漂白生產(chǎn)中仍然以使用含氯漂白藥劑為主，這種低濃度的含氯漂白方法，不但廢液污染嚴(yán)重，而且廢液排放量大，處理相對(duì)困難，相對(duì)于制漿蒸煮廢液對(duì)環(huán)境的污染更為嚴(yán)重。

國(guó)外自20世紀(jì)70年代以來(lái)一直對(duì)漿料制備過(guò)程開(kāi)展研究和探索，其主要目標(biāo)之一就是降低能量消耗、降低生產(chǎn)總成本、減少環(huán)境污染、降低總投資和減少?gòu)U液排放量，建立高效率、少污染、低能耗的制漿新工藝。其中，中濃度制漿技術(shù)（medium consistency technology）是一項(xiàng)值得研究和推廣的實(shí)用技術(shù)。

中濃度制漿技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)中濃技術(shù)或稱(chēng)MC技術(shù)，是20世紀(jì)80年代初期首先在北歐應(yīng)用的制漿新技術(shù)[1]3。它是制漿（蒸煮或磨漿）之后在7%～15%的中濃度條件下進(jìn)行泵送、貯存、洗滌、篩選、漂白和打漿等工藝過(guò)程。該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了紙漿濃度，大幅降低用水量，工藝過(guò)程簡(jiǎn)化，減少了不必要的稀釋和濃縮，降低了電耗和廢液排放量，減少了車(chē)間面積；（2）實(shí)現(xiàn)了中濃無(wú)污染或少污染漂白工藝，降低了廢液污染程度；（3）提高了廢液濃度，使廢液更易處理；（4）中濃技術(shù)各單元作業(yè)基本在同一濃度下進(jìn)行，使制漿過(guò)程處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，可以提高紙漿的質(zhì)量和得率。因此，中濃度制漿技術(shù)是高效、低耗、少污染的制漿技術(shù)。中濃技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在大幅度節(jié)電、節(jié)水，降低熱能消耗，降低總操作成本等方面；另外，由于減少了廢液排出量，降低了廢液污染程度，改善了周?chē)h(huán)境，也在一定程度上減少了經(jīng)濟(jì)開(kāi)支。

中濃技術(shù)的關(guān)鍵就是漿料的流體化技術(shù)。中濃漿料流體化技術(shù)的基本原理是根據(jù)漿料流動(dòng)的特點(diǎn)。對(duì)低濃漿料，在塞流狀態(tài)下具有與水流完全不同的特性，其壓頭損失與同樣流動(dòng)條件下的水流相比大得多；而在湍流狀態(tài)下具有與水流相同的流動(dòng)特性，并出現(xiàn)阻力減小現(xiàn)象。研究成果表明，對(duì)中濃漿料，如能使其也處于瑞流狀態(tài)，將和低濃漿料一樣，具有水流的流動(dòng)特性。如把中濃漿料置于剪切力場(chǎng)中，當(dāng)剪切力達(dá)到某一臨界值，纖維網(wǎng)絡(luò)受到破壞，纖維產(chǎn)生高強(qiáng)度脈沖，纖維之間速度梯度增大，缺乏流動(dòng)性的漿料進(jìn)入湍流狀態(tài)，具備了水膜滑移流動(dòng)的流體特性，實(shí)現(xiàn)了流體化。對(duì)具有流體特性的中濃漿料，由此就可進(jìn)行各項(xiàng)如同低濃一樣的工藝處理[2]。

1 中濃條件下紙漿與漂白劑的混合機(jī)理

中濃漂白技術(shù)中，紙漿與制漿、漂白藥劑的混合是最為重要的操作單元之一。這是因?yàn)椋海?）中濃漂白技術(shù)多采用氣態(tài)漂白劑，在與紙漿的接觸中，首先溶解于纖維表層的水，而存在于纖維腔內(nèi)的水和附于纖維細(xì)胞壁中的水，只有通過(guò)特殊的混合手段，才能得到溶解氣態(tài)漂白劑的機(jī)會(huì)，因而對(duì)混合裝置的要求就相當(dāng)高；（2）中濃紙漿含水量少，有40%以上的水是存在于纖維腔內(nèi)和附于纖維細(xì)胞壁中；而且在常規(guī)狀態(tài)下，中濃紙漿以纖維網(wǎng)格塞體的形式存在，為了使制漿、漂白藥劑能與纖維直接發(fā)生作用，同樣對(duì)混合裝置具有更高的要求?？梢哉f(shuō)混合設(shè)備的混合效果往往是決定能否實(shí)現(xiàn)中濃漂白技術(shù)的關(guān)鍵[1]85。有效的混合不僅可取得較好的漂白質(zhì)量，取得白度均一的漂白紙漿，而且還可減少化學(xué)藥品的消耗，可實(shí)現(xiàn)中濃紙漿無(wú)氯漂白技術(shù)，減少紙漿漂白廢水對(duì)環(huán)境的污染。

1.1 混合機(jī)理

不管是哪類(lèi)物料的混合，也不論采用哪種結(jié)構(gòu)的混合物裝置，導(dǎo)致物料混合的機(jī)理都是對(duì)流擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散[3]56-58。在物料的相互接觸過(guò)程中，它們各自發(fā)揮著不同的作用。

分子擴(kuò)散是由分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的。在任何存在2種分子的系統(tǒng)中，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，分子將相互混合，形成分子尺度上的均勻混合物。任何混合過(guò)程，最終都趨于這種均勻，即分子均勻分布在整個(gè)流場(chǎng)。對(duì)于整個(gè)漂白過(guò)程而言，達(dá)到分子尺度上的均勻混合，也就可以保證漂白劑與紙漿中的殘余木素以及一些有色物質(zhì)均勻接觸。但是，由于分子擴(kuò)散的速度太慢，往往不能適應(yīng)實(shí)際過(guò)程的需要。例如：一個(gè)特征尺寸L＝5 m的容器，內(nèi)設(shè)有加熱器為熱源，假如容器內(nèi)流體是靜止?fàn)顟B(tài)，那么僅僅靠分子導(dǎo)熱使熱量散布于整個(gè)容器內(nèi)，由于

式中：ΔT為特征溫度差，tm為分子導(dǎo)熱（擴(kuò)散）的時(shí)間比尺，α為導(dǎo)熱系數(shù)，假定為常數(shù)。上式可進(jìn)一步改寫(xiě)為

假設(shè)容器中流體處于常溫，導(dǎo)熱系數(shù)α＝0.2 cm2/s，這樣可得到擴(kuò)散過(guò)程的時(shí)間比尺tm的數(shù)量約為106s，即300 h。

工業(yè)中的流體流動(dòng)大多數(shù)發(fā)生在湍流狀態(tài)下，而湍流狀態(tài)下的流體往往會(huì)產(chǎn)生湍動(dòng)，它可以使流體破碎成許許多多的小微團(tuán)，如圖1所示。

圖1 流體破碎成小微團(tuán)的過(guò)程

分子擴(kuò)散可以通過(guò)這些微團(tuán)的邊界使不同組分進(jìn)行交換。微團(tuán)愈小，提供分子擴(kuò)散的面積就愈大，微團(tuán)之間交換的邊界就愈大，愈有利于擴(kuò)散。微團(tuán)尺寸的減小主要依靠強(qiáng)度高而尺度小的湍動(dòng)，湍動(dòng)給分子擴(kuò)散創(chuàng)造了有利的條件。

湍動(dòng)的主要作用是產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切和速度脈動(dòng)。如果混合速率由分子擴(kuò)散的距離，也就是由溶質(zhì)團(tuán)的拉長(zhǎng)或分割程度所決定，那么強(qiáng)烈的剪切作用將加快混合速度。如圖2所示。

將邊長(zhǎng)L0的正方形流體單元置于剪切速率為S的剪切場(chǎng)中，使其拉成平行四邊形，若規(guī)定將平行四邊形厚度減至Lm為達(dá)到混合目的，拉長(zhǎng)過(guò)程中流體單元所經(jīng)受的剪切時(shí)間就是主要混合時(shí)間tm，在應(yīng)用小角度時(shí)，則有：

圖2 湍動(dòng)所產(chǎn)生的剪切作用

式中：R（r）為相距r的濃度值之間的相關(guān)系數(shù)，δ2為流體單元濃度a對(duì)平均濃度a的方差；表示流體未混合、混合時(shí)間為0時(shí)的濃度a對(duì)平均濃度a方差。從上式可看出，當(dāng)未混合時(shí)刻 δ2＝，I＝1；當(dāng)達(dá)到分子級(jí)混合時(shí)，任一流體單元濃度都為平均濃度，δ＝0，I＝0。分隔尺度L隨著宏觀混合（湍流擴(kuò)散，圖3中的0～a階段）的進(jìn)行不斷減小，又隨微觀混合（分子擴(kuò)散，圖3中的a～b階段）的進(jìn)行逐漸增大。

由上式可以看出，混合時(shí)間與剪切速率成反比，即剪切速率越大，混合時(shí)間越短。通常湍流傳遞速率要比分子擴(kuò)散導(dǎo)致的傳遞速率大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明湍流擴(kuò)散比分子擴(kuò)散更為重要。另外，在湍流狀態(tài)下，流體受到的剪切應(yīng)力為：

式中：μ為表觀黏度，ρ為流體密度，l為脈動(dòng)長(zhǎng)度。從式中可以看出，剪切應(yīng)力正比于剪切速率。在生產(chǎn)實(shí)際中，由于紙漿與漂白劑的混合是在混合器中進(jìn)行，并且留在混合器中的時(shí)間極短，盡管紙漿已處于湍流狀態(tài)并具有一定的剪切速率，但仍需另外供給能量，即由混合器產(chǎn)生更高的剪切應(yīng)力，以縮短混合時(shí)間。

速度脈動(dòng)的作用是使混合物質(zhì)在混合場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的流速不斷改變大小和方向，使混合物質(zhì)得到均勻的剪切作用，強(qiáng)化混合的過(guò)程。

在中濃條件下由于紙漿的表觀黏度隨濃度的增加已呈非線性變化，在沒(méi)有高剪切力的作用下，這種非牛頓型流體自身會(huì)喪失流動(dòng)的性能，呈現(xiàn)出明顯的黏性特征、相互交織成的纖維網(wǎng)絡(luò)會(huì)嚴(yán)重阻礙漂白劑與每根纖維的均勻接觸。因此在漂白劑與中濃紙漿混合時(shí)，必須先將纖維網(wǎng)絡(luò)分散，亦即紙漿實(shí)現(xiàn)流體化，使紙漿流成為近似由無(wú)數(shù)單根纖維所組成的連續(xù)介質(zhì)，具有類(lèi)似水流的流動(dòng)特性，從而保證紙漿在混合場(chǎng)中與漂白劑得到快速、均勻的混合。

需要指出的是，由于湍流的宏觀性質(zhì)，它僅能將混合場(chǎng)的不同組分分散成一定大小的微團(tuán)，其最小的極限尺寸與分子相比仍大得多，一般最小微團(tuán)也將包含上百萬(wàn)個(gè)分子，因此不能指望湍流擴(kuò)散的微團(tuán)尺寸會(huì)接近分子大小，進(jìn)一步的混合只能依靠分子擴(kuò)散。為了描述這種混合過(guò)程，通常用分隔尺度L來(lái)代表湍流作用使物料分散的程度，以分隔強(qiáng)度I表示分子擴(kuò)散作用使物料接近均勻的程度，分隔尺度L和分隔強(qiáng)度I可用以下數(shù)學(xué)公式表示：

圖3 分隔尺度L和分隔強(qiáng)度I的關(guān)系

湍流流動(dòng)加速了分子擴(kuò)散的進(jìn)程，提高了反應(yīng)速率。仍以前面所舉內(nèi)置熱源容器的導(dǎo)熱問(wèn)題為例，如若容器內(nèi)空氣發(fā)生運(yùn)動(dòng)，即使運(yùn)動(dòng)速度低至0.1 m/s以下，湍流導(dǎo)熱也可以使熱量散布于整個(gè)容器，所需時(shí)間由原來(lái)容器內(nèi)空氣靜止時(shí)的300 h縮短至2 min以?xún)?nèi)。對(duì)于中濃紙漿與漂白劑的混合，由于紙漿在湍動(dòng)狀態(tài)中受到高剪切力的作用，纖維的扭曲和擠壓-膨脹，可使纖維細(xì)胞腔內(nèi)的部分水被“泵”出而漂白劑被“泵”入，加速了與漂白劑的交換。湍動(dòng)對(duì)紙漿與漂白劑的混合起著重要的作用。

對(duì)流擴(kuò)散是指主體運(yùn)動(dòng)所引起的擴(kuò)散，它迭加在分子擴(kuò)散或湍流擴(kuò)散上，或三者同時(shí)存在，是混合過(guò)程的一個(gè)重要方面。具有一定初始速度和壓力的氣態(tài)漂白劑沖入流體化的中濃紙漿中，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)流作用，加速不同的混合速度區(qū)域之間的交換，使各個(gè)混合區(qū)域的混合速度趨于一致。

1.2 水的阻礙作用

紙漿中的水分一般以3種狀態(tài)存在：或存在于纖維細(xì)胞腔內(nèi)，或吸附于纖維細(xì)胞壁中，或者包圍在纖維的周?chē)?。圖4為質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、12%和30%紙漿濃度條件下濕纖維及其外圍水的體積比較。

圖4 不同紙漿濃度條件下濕纖維及其外圍水的體積比較

對(duì)于12%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中濃紙漿，細(xì)胞腔內(nèi)水及吸附于細(xì)胞壁中的水的體積之和大約是全部水的體積的40%。顯然這部分水阻礙著漂白劑與纖維的直接接觸，因此在紙漿與漂白劑的混合過(guò)程中，必須要借助高強(qiáng)度的剪切作用以及所產(chǎn)生的局部激烈的速度脈動(dòng)，削弱這部分水的阻礙作用，這也是中濃混合器所具備的一個(gè)特性。

從圖4還可注意到，隨著紙漿濃度的提高，包圍在纖維周?chē)乃捏w積明顯減少，纖維內(nèi)外漂白劑的濃度差增大，這一方面有助于提高擴(kuò)散速率，另一方面也減少了漂白后廢液的排放量。

1.3 中濃紙漿與氣態(tài)漂白劑的混合

中濃紙漿與液態(tài)漂白劑的混合，可以借助中濃漿泵在湍流狀態(tài)下進(jìn)行。而中濃紙漿與氣態(tài)漂白劑的混合，為了保證混合質(zhì)量，一般須經(jīng)中濃漿泵將紙漿泵入中濃混合器，在此與氣態(tài)漂白劑進(jìn)行混合。氣態(tài)漂白劑的加入點(diǎn)在混合器的紙漿入口端。整個(gè)混合過(guò)程中，所進(jìn)行的對(duì)流作用、湍動(dòng)及分子擴(kuò)散的程度是決定混合效果的關(guān)鍵因素。

當(dāng)具有一定壓力的氣態(tài)漂白劑射入紙漿流道時(shí)，首先發(fā)生的是對(duì)流擴(kuò)散，緊接著便是湍流擴(kuò)散，最終進(jìn)入分子擴(kuò)散階段。中濃紙漿經(jīng)過(guò)中濃漿泵中湍流發(fā)生器的高剪切力作用之后，已呈流體化狀態(tài)，紙漿流被破碎成較小的塊團(tuán)。氣態(tài)漂白劑由于是在一定壓力和一定初始速度下射入中濃混合器的入口端，已處于湍流狀態(tài)，當(dāng)與紙漿相接觸時(shí)，會(huì)相互沖擊擾動(dòng)，出現(xiàn)了對(duì)流作用，并產(chǎn)生了極不穩(wěn)定的渦旋。紙漿塊團(tuán)尺寸進(jìn)一步減小，氣體由于射流斷裂，形成了不同大小的氣泡，于是相互間開(kāi)始了能量和質(zhì)量上的傳遞，起到了最初的混合作用。

氣泡體積的大小直接影響著擴(kuò)散速率。氣泡體積愈小，其比表面積愈大，提供擴(kuò)散的邊界愈大，愈有利于擴(kuò)散。對(duì)于一定物系和孔徑，當(dāng)氣體流量增加時(shí)，氣泡體積增大，如圖5所示。在氣體流量很低時(shí)，可以認(rèn)為氣泡體積不受流量影響，此時(shí)孔徑小可以減小氣泡體積。

圖5 氣體流量和氣泡體積的關(guān)系

在中濃混合器中，由于固定件和轉(zhuǎn)動(dòng)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，紙漿塊團(tuán)和氣泡在混合區(qū)受到高強(qiáng)度的剪切作用，出現(xiàn)了更高強(qiáng)度的湍動(dòng)，紙漿的塊團(tuán)被進(jìn)一步分散和破碎成微團(tuán)，氣泡受到剪切和擠壓，進(jìn)一步變成尺寸更小的氣泡，從而開(kāi)始了分子擴(kuò)散的過(guò)程。

綜上所述可以看出，產(chǎn)生剪切強(qiáng)度高而尺度小的湍動(dòng)是使中濃紙漿與漂白劑實(shí)現(xiàn)分子尺度上的混合的關(guān)鍵。我們知道湍流是有旋運(yùn)動(dòng)，它由一系列大小不同的渦旋組成，流體的能量從大渦旋向小渦旋傳遞，小渦旋向更小的渦旋傳遞，直至最小尺寸的渦旋，最后因能量克服黏性應(yīng)力的作用而耗散為熱。湍流通常是從大尺度的渦旋接受能量，而在小尺度渦旋中發(fā)生黏性能量耗散。由于大尺度下有

式中：ε為能量耗散；ΔU為主流體運(yùn)動(dòng)速度；I為湍流場(chǎng)的幾何尺寸。主流體運(yùn)動(dòng)速度增大，提供流體的動(dòng)能隨之增大，能量耗散就愈大。此時(shí)流體在湍流場(chǎng)中任一尺度為λ的渦旋中的脈動(dòng)速度uλ與主流體速度有如下關(guān)系：

對(duì)于單位質(zhì)量流體在單位時(shí)間內(nèi)的湍流能量耗散，假設(shè)在各向同性的湍流中，能量耗散為

上式表明，各向同性湍流中能量耗散正比于湍流強(qiáng)度的平方，反比于湍流微分尺度的平方。湍流中所產(chǎn)生的渦旋尺寸愈小，或者說(shuō)產(chǎn)生愈多的小渦旋，即微分尺度愈小，湍流能量耗散就愈大。反之，當(dāng)湍流強(qiáng)度和流體運(yùn)動(dòng)黏度一定時(shí)，湍流脈動(dòng)能量愈大，其能量耗散愈大，渦旋的微分尺度也就愈小。

當(dāng)湍流中的小渦旋足夠小，以至于接近渦旋的微分尺度λg時(shí)，通?？梢哉J(rèn)為小渦旋具有各向同性的性質(zhì)。此時(shí)渦旋僅僅依賴(lài)于能量耗散ε和運(yùn)動(dòng)黏度υ，可用下式表示：

由于流體具有一定的黏度，因此微分尺度不可能小至分子級(jí)。

紙漿塊團(tuán)和氣泡（氣態(tài)漂白劑）流經(jīng)混合器的混合區(qū)時(shí)，隨著湍流擴(kuò)散的進(jìn)行，一部分能量克服流體的黏性阻力而被轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。根據(jù)以上可知，紙漿微團(tuán)和氣泡的破碎在通過(guò)混合區(qū)后將逐漸停止。

分子擴(kuò)散的進(jìn)程從混合區(qū)開(kāi)始，由于紙漿通過(guò)混合區(qū)的時(shí)間極短，所以分子擴(kuò)散會(huì)延續(xù)到紙漿進(jìn)入漂白塔的內(nèi)部。

2 中濃混合器

2.1 根據(jù)混合機(jī)理對(duì)混合器提出的要求

多年以來(lái)，為適應(yīng)漿料漂白程序變化的需要，混合器得到了不斷發(fā)展。紙漿漂白混合器經(jīng)歷了攪拌混合器、靜態(tài)混合器、高剪切混合器，達(dá)到了纖維級(jí)漿料的混合，改善了紙漿的漂白。在混合器研制和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注的是各類(lèi)型混合器的水動(dòng)力學(xué)原理及實(shí)現(xiàn)漿料懸浮液纖維級(jí)尺度和微觀級(jí)尺度的混合。

上述討論的漿料懸浮液的流變特性以及混合基本原理決定了紙漿漂白混合器的設(shè)計(jì)。通常，設(shè)計(jì)和研制新型或?qū)Ｓ没旌掀髦辽僖紤]以下幾方面：（1）在一定濃度范圍內(nèi)，混合器要能產(chǎn)生足夠的剪切應(yīng)力以克服纖維網(wǎng)絡(luò)屈服應(yīng)力，分散纖維網(wǎng)絡(luò)及其內(nèi)部的纖維絮聚團(tuán)。同時(shí)必須注意到漿料懸浮液濃度越大，分散纖維網(wǎng)絡(luò)及纖維絮聚團(tuán)所需的剪切應(yīng)力就越大；（2）混合器混合時(shí)要使混合介質(zhì)達(dá)到纖維級(jí)或微觀級(jí)尺度的混合，盡量消除宏觀級(jí)混合；（3）中濃或高濃混合器要能實(shí)現(xiàn)纖維懸浮液“流體化”，這是衡量中濃混合器能否實(shí)現(xiàn)纖維級(jí)混合的標(biāo)準(zhǔn)；（4）能量損耗量是用來(lái)表征纖維懸浮液的“流體化”程度和混合尺度的級(jí)別，中濃或高濃混合器必須要能提供足夠的能量損耗量[4]。

2.2 中濃混合器的工作原理

中濃混合器有多種結(jié)構(gòu)形式，總體上可分成3部分，即預(yù)混合室、混合室和輸出部。進(jìn)料預(yù)混合中的進(jìn)漿管、進(jìn)氣（液）管，由于紙漿正從中濃漿泵中輸入，故還處于不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，具有更高壓力的漂白劑從進(jìn)漿管側(cè)壁或垂直或成一角度進(jìn)入紙漿流，產(chǎn)生沖擊、匯合，引起對(duì)流作用，并產(chǎn)生局部湍動(dòng)；進(jìn)氣（液）管在管道上的開(kāi)口位置、角度以及進(jìn)氣管?chē)娮斓目讖剑瑫?huì)對(duì)混合效果產(chǎn)生一定影響?；旌鲜业脑O(shè)計(jì)是中濃混合器的關(guān)鍵，混合效果的好壞主要取決于混合室的結(jié)構(gòu)，混合室主要由固定件和轉(zhuǎn)動(dòng)件組成，通過(guò)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)紙漿及漂白劑產(chǎn)生足夠大的剪切應(yīng)力，以使漂白劑均勻地分布于每根纖維上。已混合好漂白劑的紙漿輸出一般靠2方面的動(dòng)力：由于中濃漿泵輸漿壓頭大，又緊鄰中濃混合器，故紙漿所具有的壓頭除克服混合器因摩擦阻力而引起的壓頭損失外，還具有足夠的壓頭繼續(xù)進(jìn)入輸漿管路到下一工序；另一方面的動(dòng)力來(lái)自中濃混合器的動(dòng)盤(pán)（或葉片）的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心作用，離心力所引起的動(dòng)能在出漿口處部分轉(zhuǎn)化為靜壓能[1]97-99。

2.3 幾種中濃混合器簡(jiǎn)介

國(guó)外自1976年瑞典的卡米爾（Kamyr）公司宣布研制成功世界上第1臺(tái)中濃混合器以來(lái)，一些其他的公司如瑞典的Sunds Defibrator公司、芬蘭的Rauma-Repola公司和芬蘭奧斯龍（Ahlstrom）公司等也相繼推出了自己的產(chǎn)品，并在中濃氯化、中濃氧抽提、中濃氧脫木素以及H2O2、ClO2漂白等方面，取得了較好的效果[3]60-61。

圖6為一種較通用的中濃混合器結(jié)構(gòu)，它由進(jìn)漿管、進(jìn)氣管、轉(zhuǎn)動(dòng)件、固定件等組成。紙漿與漂白劑在預(yù)混合室混合后，經(jīng)固定件與轉(zhuǎn)動(dòng)件所形成的特殊流道在很短的時(shí)間內(nèi)離開(kāi)混合室。據(jù)稱(chēng)這種中濃混合器具有紙漿濃度高、漂白劑消耗少、對(duì)纖維不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械剪切作用和動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 中濃混合器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7為卡米爾公司早期開(kāi)發(fā)的一種中濃混合器。它的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一臺(tái)單盤(pán)磨，固定盤(pán)與轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)之間構(gòu)成了混合區(qū)域，經(jīng)預(yù)混合后的紙漿與漂白劑在此受到瞬間的剪切力作用，引起湍動(dòng)混合。其特點(diǎn)也是混合時(shí)間較短，大約在0.2～0.5 s。

圖7 卡米爾公司30/20型中濃混合器材

該公司后來(lái)又開(kāi)發(fā)了另一種結(jié)構(gòu)的中濃混合器，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的卡米爾中濃混合器

該中濃混合器特點(diǎn)是增加了旋轉(zhuǎn)擋圈和固定圈，而且旋轉(zhuǎn)葉片長(zhǎng)，湍流混合時(shí)間比前者加長(zhǎng)，因而混合效果更好。

目前芬蘭奧斯龍公司開(kāi)發(fā)出一種新型的直通式中濃混合器，如圖9所示。

該中濃混合器預(yù)混合室由進(jìn)漿管及進(jìn)氣（液）管組成，經(jīng)預(yù)混合后的紙漿和漂白劑在一個(gè)類(lèi)似球形的混合室中，受到轉(zhuǎn)子上旋轉(zhuǎn)葉片的剪切應(yīng)力作用而發(fā)生湍流混合，經(jīng)較短的時(shí)間后離開(kāi)混合室沿管道流至下一工序。由于該混合器體積小，可被安裝在紙漿管線上，而且混合器外殼可在90°角范圍內(nèi)任意方向旋轉(zhuǎn)，因此安裝和維修十分方便。另外，轉(zhuǎn)子方向與紙漿流動(dòng)方向正交垂直，可以避免氣態(tài)漂白劑的離析逸出。

圖9 奧斯龍公司的高效混合器

3 結(jié)語(yǔ)

混合是實(shí)現(xiàn)中濃紙漿漂白的關(guān)鍵技術(shù)，不同于其他化工、食品等行業(yè)的攪拌混合技術(shù)。中濃紙漿的特殊流動(dòng)特性決定了其只能通過(guò)施加高剪切力的方法進(jìn)行混合，通過(guò)對(duì)中濃紙漿與漂白劑混合機(jī)理的研究及對(duì)中濃紙漿流體化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析計(jì)算，可以為中濃紙漿混合器的設(shè)計(jì)提供一條可行的方法，同時(shí)為提高混合效果提供理論依據(jù)。

由于中濃紙漿流動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)中濃紙漿在混合器內(nèi)及混合器前后管道的流動(dòng)分布、紙漿通過(guò)混合器的壓降等問(wèn)題還需進(jìn)一步研究，以完善中濃紙漿漂白過(guò)程中的紙漿混合技術(shù)。

［1］ 陳克復(fù).中高濃制漿技術(shù)與裝置［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，1994.

［2］ 陳克復(fù)，薛宗華.中濃技術(shù)問(wèn)答［J］.中國(guó)造紙，1989，8（3）：63.

［3］ 侯慶喜，陳克復(fù).中濃條件下紙漿與氣態(tài)漂白劑的混合［J］.中國(guó)造紙，1999，18（6）.

［4］ 陳克復(fù)，楊仁黨，侯慶喜.紙漿與漂白劑的混合機(jī)理與紙漿流變學(xué)［J］.中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2001，16（1）：23-27.

Medium-consistency Pulp Mixing Technologies and Equipments

CUI Hong-yan
（Shandong Provincial Key Laboratory on Pulp&Paper Science and Technology，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China）

In traditional paper industry，most pulping processes are being undertaken under low consistency conditions.Unfortunately，using the low consistency technologies always complicates the process and increases wastewater generation，resulting in more serious environmental pollutions，higher water and energy consumption，larger land occupation and higher operation cost，which heavily limited the development of the industry.At abroad,since 1970 s，scientists have been searching and developing new pulping processes having characteristics of high efficiency，little pollution，and low energy cost.Luckily it was found that medium-consistency（MC）is such a practical technology worthy of being widely adopted.

medium consistency technologies；fluidization；medium consistency mixing；medium consistency mixer

TS74

A

1007-2225（2011）05-0006-06

2011-06-24（修回）

崔紅艷女士（1985-），制漿造紙專(zhuān)業(yè)在讀研究生；研究方向：紙漿造紙綠色化學(xué)與生物質(zhì)資源化利用；E-mail：chy4618@163.com。

本文文獻(xiàn)格式：崔紅艷.紙漿中濃混合技術(shù)與設(shè)備[J].造紙化學(xué)品，2011，23（5）∶6-11.