مهندسى شیمى و صنایع کاغذ سازی
صفحات وبلاگ
نویسنده: کامران بذار - پنجشنبه ٥ اسفند ۱۳۸٩

تجهیزات فرآیند

طرح های جریان در تبخیر کننده های لیکور سیاه

تغلیظ لیکور سیاه رقیق معمولا بوسیله سیستم تغلیظ با چند افکت انجام می شود . در چنین سیستمی ، برای اولین افکت در بالاترین فشار کاری ، بخارآب استفاده می شود . و بخار تولید شده از یک افکت با فشار بالا برای حرارت افکت بعدی در فشار پایین تر بکار می رود . بخار از آخرین افکت ، که اغلب تحت شرایط خلا کار می کند ، تخلیه شده و کندانس می گردد . اصول تبخیر در افکت های چندگانه ، اجازه استفاده از گرمای نهان تبخیر آب در یک افکت را می دهد تا مجددا در افکت بعدی مورد استفاده قرار گیرد . برای مثال در یک واحد تبخیر با شش افکت ، یک تن بخار در حدود 5 تن آب را بخار می کند .

تبخیر کننده های لیکور سیاه بر حسب خواص لیکور یا طراحی قسمت گرمایش مطابق جدول 6 طبقه بندی می شوند . این طراحی ها حاصل تلاش هایی است که برای بهبود عملیات تبخیر کننده ها در استفاده از بخار ، کاهش رسوب وکف و عملیات آسان تر صورت گرفته است .

نوع فیلمی بالا رونده با لوله های بلند (LTV) بطور گسترده در آمریکای شمالی مورد استفاده قرار می گیرد . این نوع تبخیر کننده ها تا غلظت 50 درصد کار می کنند . از سال 1980 از تبخیر کننده های رو به پایین استفاده می شود که غلظت رابه 75-65 درصد می رساند . در حدود 20 درصد تمام تبخیر کننده هادر کارخانه های کرافت آمریکای شمالی از نوع رو به بالا هستند که هر روزه بر تعداد آنها به عنوان جایگزین واحد های LTV  قدیمی افزوده می شود. در بعضی از کارخانه ها پیش تبخیر کنند ه های رو به پایین ، لیکور سیاه رابا استفاده از اتلاف گرمای دایجستر ، 18 تا 20 درصد تغلیظ می کنند .تجهیزات تبخیرکننده مخصوص با استفاده از مفهوم سیرکولاسیون اجباری ، مانند تبخیر کننده / کریستالیزر ، برای تغلیظ لیکور سیاه به مقدار 70تا 85 درصداستفاده می شوند .

طرح های تبخیر کننده ها در کارخانه های خمیر آمریکای شمالی  .

این  طرح ها عبارتند از :

1-   5 یا 6 تبخیر کننده LTV که لیکوری با غلظت 50-45 درصد تولید می کنند که یا به تبخیر کننده تماس مستقیم یک بویلر قدیمی تغذیه می شوند و یا به یک تغلیظ کننده نوع سیرکولاسیون اجباری بویلر های قدیمی تر تغذیه می گردند .

2-   5 یا 6 افکت تیخیر کننده / تغلیظ کننده ترکیبی که خروجی آنها 68 تا 75 درصد غلظت دارد و به بویلر ریکاوری کم بو وارد می شوند . همه تبخیر کننده ها ازنوع رو به پایین هستند .و یا همه بجز یک افکت از نوع رو به پایین با تغلیظ کننده نوع سیرکولاسیون اجباری نهایی هستند . تبخیر کننده های چند گانه LTV  برای غلظت های بالای 45 تا 50 درصد مورد استفاده قرار نمی گیرند . زیرا لیکور بسیار چسبنده می شود . همچنین رسوب سخت بخاطر حلالیت ترکیبات معدنی سدیم شکل می گیرد . تغلیظ  نهایی برای سوزانده لیکور (65 درصد یا بالاتر ) در تبخیر کننده تماس مستقیم یا یک تغلیظ کننده انجام می شود . در تبخیر کنندهای تماس مستقیم ، منبع گرما ، گاز های خروجی کوره در دمای260 درجه سانتیگراد  است . گاز های خروجی تا  149 به وسیله تماس مستقیم با لیکور حاصله از آخرین افکت ، سرد می شود . و لیکوراز 50 درصد تا 63 درصد تغلیظ می شود . تغلیظ کننده ها، لیکور بالای 50 درصد را با بخار تازه تبخیر می کنند . توالی تبخیر کنند ها ی تغلیظ کننده ، نمایانگر بیشتر واحد های مدرن تبخیر کننده لیکور هستند .

 

 

 

تبخیر کننده های عمودی بلند رو به بالا (LVT)

در حالیکه تبخیر کنند ه های نوع رو به پایین در کارخانجات جدید بکار می روند، هنوز تعداد زیادی تبخیر کننده رو به بالا در آمریکای شمالی مورد استفاده قرار می گیرند . تعداد افکت ها در یک توالی تبخیر کننده بطور عادی بستگی به بخار و هزینه سرمایه دارد . معمولا 5 تا 7 افکت مورد استفاده قرارمی گیرند . تبخیر کننده های  رو به بالای LTV شامل یک مخزن بالایی بخار آب ، مخزن اصلی لیکور مانند شکل 19 هستند . تمام مخازن بالایی بخار دارای یک صفحه انحرافی هستند که بالای گرمکن قرار دارد تا کف را از بین ببرند و به حرکت لیکور جهت بدهند .مخزن بخار فوقانی فولادی دارای خروجی بخار ، خروجی لیکور ، منهول ، روزنه دید و جدا کننده مایعات ریز است . قسمت پایینی مخزن از فولاد ضد زنگ ساخته شده است زیرا تغلیظ در دمای بالا با غلظت بالا می تواند خورنده باشد . مخزن بخار آب از فولاد ساخته شده است . لوله ها، فولادی ضد زنگ به قطر 2 اینچ و طول 28-24 فوت می باشند . هیتر دارای یک ورودی بخار و خروجی کندانس و ورودی کندانس و اتصالات اندازه گیری است . لیکور از مخزن اصلی لیکور تحت فشار از میان لوله ها بالا می رود و با بخار آب که آن را احاطه کرده ، گرم می شود . در همان لحظه ، هد استاتیکی لیکور در بالای لوله ها کاهش پیدا می کند . بنابراین در همان نقطه لوله های بلند ،لیکور شروع به جوشیدن می کند . این نقطه حداکثر دما را دارد . ناحیه زیر نقطه جوش به نام ناحیه گرمایش یا ناحیه غیر جوشش است .سرعت لیکور سیاه در ناحیه گرمایش خیلی کم است . معمولا عددرینولدز 800 است . بسته به شدت تولید حباب ، مخلوط بخار ،لیکور از منطقه جوشش با سرعت زیادتر از منطقه گرمایش بالا می رود . لیکور به مخزن لیکور در قسمت پایین تبخیر کننده پمپ می شود و از طریق لوله ها بالا می رود . برش عرضی منطقه لوله ورودی لیکور از لوله ها کمتر است . بنابراین سرعت لیکور در مخزن لیکور از سرعت بالا رفتن بیشتراست . جریان گردابی کوچک و کانال های لیکور سیاه ، علت تفاوت سرعت است . توسعه این کانال ها به موقعیت ورودی لیکور ، یرعت نسبی لیکور در ورودی و طراحی داخلی مخزن لیکور بستگی دارد .

هر افکت سیستم تبخیر کننده با یک جدا کننده ذرات ریزمایع همراه است تا لیکور وارد شده را از بخار حذف کند و بنابراین از اتلاف مواد شیمیایی جلوگیری کند.  برای قطرات بزرگتراز 30 میکرون ، بازده جدا سازی 9/99 درصد است . در یک سیستمی که بخوبی طراحی شده باشد ، پلاگی رخ نخواهد دادو عملکرد عالی در فشار کم قطرات بدست می آید .

بخش های پیش گرمکن و یا گرمکن بعدی ، همراه با هیتر LTV بخش کوچکی از حجم تیوب ها را در هر افکت درست می کند . لیکور سیاه ورودی از مایع تبخیر شده در آن افکت جدا می شود و تحت سیرکولاسیون اجباری گرم می شود  بخاطر آنکه برش عرضی پیش گرمکن و یا گرمکن بعدی از ناحیه تبخیر کوچک تر است ، ضریب انتقال حرارت پیش گرمکن ( و گرمکن بعدی ) بطور قابل توجهی از قسمت لوله  های غیر جوشش بیشتر است .

 

 

تبخیر کننده های رو به پایین (FF)

همانطور که از نامش بر می آید ، لایه لیکور در فرآیند های تبخیر کننده رو به پایین ، در روی سطوح گرم به سمت پایین در جریان است . ایده لایه رو به پایین ، اکنون در تاسیسات جدید بکار گرفته شده است . 2 طراحی مختلف در مورد لیکور سیاه بکار گرفته شده است : نوع لوله های عمودی ( لیکور داخل لوله ها است ) و نوع صفحه عمودی ( لیکور بیرون صفحات است ) .

در تاسیسات اولیه ، نوع لوله ای رو به پایین برای غلظت 65 درصد بکار می رفت .نوع صفحات عمودی می توانند لیکور را 70 تا 75 درصد برای بویلر های مدرن تغلیظ نمایند . تبخیر کننده های صفحه عمودی با طراحی گود  سالیان زیادی بکار رفته اند و ابتدا در ژاپن و آمریکای شمالی تا سال 1967 بکار برده شدند . اخیرا یک طراحی دو گانه کنگره ای در ژاپن معرفی شده اما هنوز در آمریکای شمالی بکار نرفته است .

تبخیر کننده های رو به پایین از یک سیستم توزیع کننده لیکور ، هیتر لیکور ، قسمت بخار ( اختیاری ) و سیستم جدا کننده تشکیل شده اند . طراحی یک گذره رو به پایین نیز ممکن است اما تجهیزات برای لیکور سیاه همواره یک پمپ سیرکولاسیون دارند . که بخشی از لیکور را از پایین به بالای تبخیر کننده پمپ می کنند . سیرکولاسیون قابلیت برگشت را افزایش داده و اجازه کنترل شدت انتقال حرارت را می دهد . شدت سیرکولاسیون در این تبخیر کننده ها ، در حدود 10 درصد شدت سیرکولاسیون تبخیر کنند ه های سیرکوله اجباری است .  و در نتیجه اندازه پمپ و قدرت مورد نیاز آن کمتر است .

 طراحی تبخیر کننده های رو به پایین لوله ای  همراه یا قسمت مرکزی لیکور است . لیکور سیرکوله شده از انتهای قسمت بخار و از طریق لوله مرکزی به بالای مخزن لیکور پمپ می شود .  توزیع یکنواخت جریان برای عملیات تبخیر کننده های رو به پایین حیاتی است . مخلوطی از بخار و لیکور از بخش تیوب به سمت پایین حرکت می کند و از پایین به داخل قسمت بخار خارج می شوند بخار از افکت از طریق یک جدا کننده میانی خارج می شوند ، لیکور جمع شده در پایین سیرکوله می شود .  سیرکولاسیون داخلی نیازی به عایق بندی ندارد بنابراین در هزینه ها صرفه جویی می شود . ورودی مرکزی لیکور سرد شده به صفحات توزیع کننده نسبت له طراحی های ورودی به بالا یا کناره دارای مزایایی است .

در یک تبخیر کننده رو به پایین با صفحات گرمکن گود  صفحات موازی با هدرمرکزی ورودی بخار و یک سیستم توزیع سیرکوله لیکور و یک گیرنده ذرات ریز مایع وجود دارد . لیکور از انتها ظرف سیرکوله می شود که یک مخزن لیکور برای سیستم توزیع لیکور در بالای گرمکن لیکور قرار دارد.

لیکوربه هریک از گرمکن ها از طریق یک سینی perforat که به بالای قسمت گرمکن متصل است توزیع می شود.شدت سیرکولاسیون در گرمکن تابعب از نوع لیکور، غلظت لیکور،ویسکوزیته و دما است.قدرت موردنیاز برای پمپ سیرکولاسیون برای تبخیر کننده های نوع صفحه ای همیشه کمتراز تبخیر کننده های نوع سیرکوله اجباری است.بخار در داخل گرمکن جریان دارد .بسته به آنکه جداسازی کندانس وجود داشته باشد بخار به بالا یا پایین گرمکن گرمکن وارد می شود.بخارات به وجود آمده طی تبخیر بلافاصله بعد از تشکیل به قسمت بخار فرار می کنند و درآنجا واسطی میان بخار تولید شده و لیکور وجود ندارد .بالعکس در تبخیر کننده های لوله ای روبه پایین تمام بخارات تولید شده طی تبخیر از انتهای تیوب خارج می شوند .بخارات تولید شده از قسمت گرمکن تبخیر کننده های صفحه ای به سمت بالا (بدنه بخار) حرکت می کنند واز یک جدا کننده به شکل Van عبور کرده و به کانال هدایت کننده به افکت بعدی وارد می شوند. به خاطر سرعت خیلی کم بخار در مواجهه با تبخیر کننده  صفحه ای از جدا کننده های جریان عمودی استفاده می شود.

 

نویسنده: کامران بذار - دوشنبه ٢٩ شهریور ۱۳۸٩

مقدمه

لیکور سیاه که به خاطر ظاهرش اینگونه نامیده می شود ، لیکور ضعیف جمع آوری شده بعد از مرحله شستشو در خمیر سازی است . لیکور سیاه حاوی ترکیبات پیچیده آلی و معدنی در یک محلول آلی است . ترکیبات شیمیایی آن بستگی به نوع چوب مورد مصرف و شرایظ پخت دارد . خواص تعادلی لیکور سیاه بستگی به غلظت ، مقدار مواد معدنی و دما دارد . در فرآیند های مختلف مانند کرافت CMP و NSSC  ، نوع لیکور متفاوت خواهد بود .

غلظت لیکور سیاه که با مقدار مواد جامد آن بیان می شود ، با خشک کردن نمونه مایع تحت شرایط ویژه اندازه گیری می شود . اصظلاح" Weak black liquor"  بری لیکور با غلظت کم ( معمولا بین 5 تا 20 درصد ) بکار می رود و اصطلاح " Strong black liquor" به لیکور باغلظت بالااشاره می کند ( بالای 50 درصد ) که از افکت های تبخیر کننده چند تایی خارج می شوند . در بویلر های ریکاوری قدیمی  ، برای کنترل بو ، قبل ازتبخیر کننده تماس مستقیم،لیکورسیاه با استفاده از گاز های خروجی اکسیدمی گردید . دربویلر های مدرن کنونی به جای استفاده ازتبخیرکننده تماس مستقیم ، از یک تغلیظ کننده استفاده می شود که در آن غلظت لیکور به 62 درصد و بالاتر می رسد .

در تبخیر کننده های چندتایی که در دهه 1980 عرضه شدند ، دیگر تفاوتی میان تبخیر کننده و تغلیظ کننده وجود نداشت . این تبخیر کننده ها 5 تا 8 افکت هستند که از سیستم لایه سقوط کننده و فناوری کریستالیزر استفاده می کنند تا غلظت لیکور را تا 70 درصد یا بیشتر افزایش دهند . اخیرا فن آوری هایی وجوددارند که لیکور را تا 80درصد یابیشتر تغلیظ می کنند .

نیازمندی های اصلی واحد تبخیر و تغلیظ به شرح زیر است :

١- استفاده موثرازانرژی مورد نیازبرای تبخیرکه عمدتا25 درصد ازکل انرژی موردنیاز کارخانه است .

٢-جداسازی موثر بخار آب تشکیل شده طی فرآیند تبخیر لیکور سیاه ، تا محصولی باارزش به لحاظ انرژی وشیمیایی بدست آید . بخارات ، مایع شده و این مایع در کارخانه خمیر سازی مورداستفاده قرار می گیرد .

٣-تغلیظ لیکور سیاه تاسطح قابل قبول جهت سوزاندن دربویلر ریکاوری(حداقل 62 درصد )

خواص عمومی لیکور سیاه

خواص لیکور سیاه که پارامترهای مهمی در عملیات تبخیر هستندکه عبارتند از :

ویسکوزیته ، افزایش نقطه جوش (BPR) ، ظرفیت حرارتی ، کشش سطحی و هدایت گرمایی .

خصوصیات لیکور سیاه بر اندازه ذرات اسپری شده و احتراق آن ، موثر است که در نتیجه بر پایداری بستر مذاب در کوره بویلر بازیابی ، تغییرات دما و carry Over  کوره بویلر ریکاوری تاثیر گذار است .

دانسیته و وزن ویژه

دانسیته لیکور سیاه بر خصوصیات جریان و هد استاتیکی موثر است . در غلظت های پایین تر، دانسیته آن نزدیک به دانسیته آب در همان دما است . در غلظت های  بالاتر ، دانسیته بستگی به مواد آلی ومعدنی دارد . مواد معدنی ، تاثیر شدیدی بر دانسیته دارند . زیرا دانسیته بیشتر مواد آلی نزدیک به دانسیته آب است . در حالیکه دانسیته موادمعدنی تقریبا دوبرابر آب است .

دانسیته لیکور سیاه رامعمولا باوزن ویژه و نسبت به دانسیته آب در دماهای مرجع گزارش می کنند . وزن ویژه اندازه گیری شده بوسیله هیدرومتر معمولا با درجه Baume کالیبره می شود . تعریف وزن بومه برای مایعات سنگین تر از آب به صورت زیر است :

BE=145-145/وزن ویژه

عدد خوانده شده در هیدرومتر باید با توجه به دما تصحیح شود ( که بستگی به نمودار تهیه شده برای هر لیکور دارد.) وزن ویژه لیکور سیاه برای فرایند های مختلف خمیر سازی در 25 درجه سانتیگراد در شکل یک آورده شده است .

وزن ویژه برای هر نوع لیکور ، نسبت به غلظت لیکور تقریباخطی است .شیب منحنی وزن ویژه بستگی به مقدار مواد معدنی دارد . هماهنگی  میان شیب وزن ویژه و میزان خاکستر لیکور خشک در شکل 2 نشان داده شده است که نشان دهنده نقش اصلی موادمعدنی در دانسیته لیکور سیاه است .

وزن ویژه را می توان به عنوان تابعی از دما و غلظت ( تا 50 درصد )پیش بینی نمود :

 T. 0.003 - S. 0.006  + 0.9982 = وزن ویژه

که T: دمای لیکور سیاه   و S: غلظت لیکور است .

در برخی منابع برای دانسیته لیکور سیاه با غلظت بالاتر از 50 درصد نیز مواردی گزارش شده است .

 

افزایش نقطه جوش (Boiling Point Rise)

این خاصیت (BPR) عبارتست از اختلاف نقطه جوش لیکور سیاه و نقطه جوش آب خالص در فشار یکسان . این خاصیت برای طراحی و بهره برداری از تبخیر کننده ها مهم است . انتقال حرارت در این واحد ها بستگی به اختلاف دما میان بخارآب کندانس شده و لیکور سیاه تبخیر شده دارد.BPR بالا ، پتانسیل انتقال حرارت را به طرز قابل توجهی کاهش می دهد.

BPR بستگی به غلظت دارد. در لیکور سیاه ، مواد معدنی در BPR نقش اصلی را دارند . شکل 3 آن را به عنوان تابعی ازغلظت لیکور سیاه بیان می کندکه در غلظت بالاتر از 50 درصد، به سرعت افزایش می یابد .

مقدار BPR با توجه به ترکیبات لیکور سیاه و روش اندازه گیری بکار رفته ، متفاوت است . تقریبا می توان گفت که BPR به شکل خطی با مجموع مولهای Na ,K در لیکور سیاه خشک افزایش می یابد . تغییر در هریک از متغیر های خمیر سازی ( مانند مقدار مواد شیمیایی ، Yield خمیر ، قلیائیت لیکور ومقدار سولفورآن و ....) مقدار سدیم حل شده را کاهش می دهد و در نتیجه BPR تغییر خواهد کرد .

BPRلیکور سیاه در غلظت بالاتر از 50 درصد را می توان با معادله زیر تخمین زد :

BPR=K.S/(100-S)

نشان داده شده است که K  بین 10 تا 15 درجه سانتیگراد است . در غلظت های بالاتر از 50 درصد BPR بستگی به حلالیت ترکیبات معدنی دارد . ( شکل 4) حد بالای BPR برای غلظت های نزدیک به 100 درصد تقریبا برایر 55 درجه سانتیگراد است .

 

گرمای ویژه 

اطلاعات گرمای ویژه یا ظرفیت گرمایی برای لیکور سیاه جهت تعیین ابزار پیشگرمکن برای تبخیر مورد نیاز است .نمونه ای از داده ها در شکل 5 نشان داده شده که با معادله زیر بیان شده است .

Cp=0.09886+4.4444*106*T-(0.6276 - 3.557*104T)S

که Cp= گرمای ویژه لیکور در دمای T  (oF) بر حسب Btu/lbF

و S = غلظت لیکور سیاه

تقریب زیر برای تخمین گرمای ویژه لیکور سیاه هنگام نداشتن داده های واقعی بکار می رود :

که گرمای ویژه لیکور سیاه خشک و مقدار آن در محدوده 0.3-0.5  فرض شد است. گاهی اوقات به جای وزن ویژه از  گرمای ویژه استفاده می کنند .

 Cp=1.0 - S.(1-CPs)

ویسکوزیته

ویسکوزیته یک خاصیت مهم لیکور سیاه است . که با تغییر عملیات کارخانه خمیر سازی و تغییر ترکیبات و دمای لیکور سیاه تغییر می کند .اهمیت  ویسکوزیته به خاطر تاثیر آن بر شدت تبخیر و شدت انتقال حرارت و اندازه ذرات اسپری لیکور سیاه است .

در مبدل های حرارتی و تبخیر کننده ها ، ضریب انتقال حرارت با افزایش ویسکوزیته کاهش می یابد .

 کاهش ویسکوزیته با ضریب 10  می تواند ظرفیت تبخیر کننده را 5/1 تا 2 برابر افزایش دهد و بالعکس افزایش ویسکوزیته با ضریب 10 ، ظرفیت تبخیر کننده را تا 2 برابر کاهش می دهد . این تاثیر در ویسکوزیته های بالاتربیشتر است

سیال های عمومی مانند آب ، دارای ویسکوزیته ای هستند که تاثیری بر شدت جریان ندارند .این سیالات رابه عنوان سیالات نیوتنی می شناسند . تحت هر شرایطی نیروی برشی ، برای ابن سیالات مستقیما متناسب با شدت برش است . ویسکوزیته لیکور سیاه ، نیوتنی است. و در غلظت های کمتراز 50 درصد مستقل از شدت برش است . اما در غلظت های بالای 50 درصد ، غیر نیوتنی می گردد. (Thixotropic) . ویسکوزیته لیکورکرافت برای چوبهای نرم ( در 100درجه ) به عنوان تابعی از غلظت (تا 55 درصد ) و دما (تا 100 درجه سانتیگراد ) درشکل 6 نشان داده شده است . اطلاعات ویسکوزیته لیکور های مختلف تا غلظت 55 درصد با استفاده از ویسکومتر های نوع brook field گزارش شده است .

اطلاعات منتشر شده رفتار سیال لیکور در غلظت های بالا ، رفتار Shear - Thinning را نشان می دهد . هم ویسکوزیته ظاهری و هم Shear- Thinning با افزایش دما کاهش می یابد . در محدوده دمایی 121-110 درجه سانتیگراد لیکور سیاه تا غلظت 75-70 درصد . رفتار نیوتنی نشان میدهد . در شکل 7 نمودار دما -ویسکوزیته با غلظت های بالا وجود دارد .

قرار گرفتن در دماهای بالا باعث کاهش ویسکوزیته به شکل برگشت ناپذیر می شود اگر چه تاثیر آن از یک لیکور به لیکور دیگر فرق می کند . شکل 8 تاثیر عملیا ت گرم را بر ویسکوزیته لیکور سیاه غلیظ در یک کارخانه مدرن در مرکز فنلاند را نشان می دهد . اعتقاد براین است که لیگنین ، عامل ویسکوزیته بالای لیکور است که مهم ترین عامل اکسیداسیون بیش از حد لیکور است .

وقتی غلظت قلیای لیکور خیلی پایین باشد ، نمی تواند فنولیک هیدروکسیل و گروه کربوکسیلیک را در حالت یونی در لیگنین نگه دارد . که در این صورت چسبی تولید می شود که ویسکوزیته آن دوبرابر بیشتر از ویسکوزیته لیکور اکسید نشده است .

به لحاظ عملیاتی ، ویسکوزیته لیکور سیاه را در هر دمایی و هر غلظتی می توان به دو یا سه طریق کاهش داد: اضافه کردن یک قلیا ، اکسیداسیون و ذخیره کردن در یک دمای بالا .

جدول یک نشان می دهد که هر عامل چگونه بر ویسکوزیته لیکور سیاه تاثیر می گذارد .

 

جدول 1- تاثیر شرایط عملیاتی بر ویسکوزیته لیکور سیاه

شرایط                              قلیا باقیمانده کم                               قلیای باقیمانده زیاد

         افزایش قلیا                              کاهش                                      افزایش

اکسیداسیون                             افزایش                                    کاهش

ذخیره کردن در دمای بالا              افزایش                                     کاهش

 

مقدارقلیای باقیمانده برویسکوزیته تاثیر شدیدی می گذارد . مقدار قلیای باقیمانده کم باعث ویسکوزیته بالا ورفتار غیر نیوتنی می گردد.اطلاعات نمودار 9 نشان می دهد که تغییرات در ویسکوزیته با مقدار قلیایی باقیمانده در غلظت 70درصد زیلد است . برای کاهش ویسکوزیته لیکور ، مقدار قلیایی باقیمانده موثر باید 3 درصد به صورت Na2O در لیکور سیاه خشک باشد . اکسیداسیون ،ویسکوزیته لیکور سیاه را تغییر می دهد .چون غلظت قلیای باقیمانده را کم می کند . میزان تغییرات به مقدار اولیه قلیا وشدت اکسیداسیون بستگی دارد . تغییر ویسکوزیته برگشت پذیر است و افزایش قلیای اضافی بعداز اکسیداسیون لیکور، ویسکوزیته را به مقدار اولیه برگشت می دهد . اگرچه دلیل مشخصی وجود ندارد اما با ذخیره شدن لیکور ، ویسکوزیته آن ممکن است تغییر کند . که ممکن است به دلیل ترکیب شدن مواد آلی تغییر یافته با وزن مولکولی بالاتر و کاهش مقدار قلیا باقیمانده باشد . تغییرات ویسکوزیته در مخزن در دمای کمتراز 71 درجه سانتیگراد رخ می دهد.

هدایت گرمایی

هدایت گرمایی نشان دهنده قابلیت گرمایی لیکور سیاه است که در محاسبات شدت انتقال حرارت در تبخیر کننده ها مهم است.هدایت گرمایی لیکورسیاه کرافت در شکل 10 در دماهای متفاوت نشان داده شده است . در یک دمای خاص با افزایش غلظت ، هدایت گرمایی کاهش می یابد و در انتها به هدایت گرمایی آب ختم می شود . شیب خط ها یکسان است . معادله تجربی به شرح زیر است .

K= 0.832 × 10 -3T - 1.93× 10-3 S + 0.321

که :

K  = هدایت گرمایی   بر حسب Btu /hr.ft.oF

و T = دما برحسب درجه فارنهایت   و S = غلظت برحسب درصد

مواد معدنی حل شده بر هدایت گرمایی ، به آرامی تاثیر می گذارند . مواد آلی دارای هدایت گرمایی بهاندازه نصف آب هستند . با افزایش غلظت ، هدایت گرمایی به نصف مقدارآب کاهش می یابد .

 

کشش سطحی

اطلاعات کمی راجع به کشش سطحی لیکور سیاه وجود دارد . به هر حال کشش سطحی در تشکیل قطره طی اسپری شدن یا جوشش هسته ای مهم است . تاثیر غلظت بر کشش سطحی در 90 در جه سانتیگراد در شکل 11 برای دو لیکور نشان داده شده است . الگوی کلی تاثیر غلظت مشخص است . با افزایش غلظت ، کشش سطحی به سرعت و به مقدار 40 تا 60 درصد آب خالص افت می کند . کشش سطحی ممکن است در محدوده غلظت 15 تا 40 درصد ، حداقل باشد . شکل 12 تاثیر دما را بر کشش سطحی نشان می دهد .

حد حلالیت

لیکور سیاه حاوی مقادیر متفاوتی از نمکهای سدیم و پتاسیم است . در غلظت های پایین تراز 50درصد،این مواد معدنی در قسمت آبی لیکور حل می شوند . در غلظت های بالاتر از 50 درصد ، نمک شروع به رسوب شدن می کند . اولین چیزی که رسوب مب کند ، نمک دو گانه سولفات سدیم و کربنات سدیم ، به نام بورکیت است . (2Na2SO4 - Na2CO3) که می تواند در سطوح تغلیظ کننده و یا تیخیر کننده گرفتگی ایجاد کند .در ظرایط معمولی که کارخانه با لیکور کمتراز 75 درصد کار می کند ، بورکیت ، تنها نمی است که رسوب می کند . غلظتی که در آن رسوب شروع می شود ، به ترکیب مواد معدنی بستگی دارد . حلالیت کربنات سدیم و سولفات سدیم به دمای لیکور سیاه خیلی بستگی ندارد .

در لیکور کرافت ، سدیم بین 12 تا 21 درصد و غالبا 18-19 درصد است . شکل 13 نشان می دهد که رسوب بورکیت در غلظت حوالی 50 درصد شروع می شود .

ترکیبات لیکور سیاه

ترکیبات لیکور سیاه در تبخیر کننده های چندتایی مهم است که به دلیل پتانسیل رسوب گذاری ، صابونی شدن و اتلاف مواد فرار است .

پنج عنصر هماره در لیکور وجوددارند : سدیم ، گوگرد ، کربن ، هیدروژن ، اکسیژن .در بعضی مواقع  پتاسیم و کلر نیز وجود دارند . آنالیز عنصری برای لیکورسیاه حاصله از کارخانه کرافت با نسبت 80 به 20 چوبهای نرم به چوبهای سخت به شرح زیر است :

سدیم : 2/19 درصد  -  گوگرد : 8/4  درصد -  کربن : 9/35  درصد - هیدروژن : 6/3 درصد -اکسیژن :  2/35 درصد - پتاسیم : 1 درصد  - کلر : 1/0 درصد - ناخالصی :2/0 درصد

این آنالیز نماینده بسیاری از لیکور هاست . لیکور هایی که ارزش حرارتی بالاتری دارند ،  کربن زیادواکسیژن و سدیم کمتری دارند . برعکس این مطلب یرای ارزش حرارتی کم لیکور صادق است .

موادچوبی حل شده به چهار گروه تقسیم می شوند : مواد لیگنینی  (پلی اروماتیک ) اسید های ساکارین (هیدروکسی ) (کربو هیدرات های تغییریافته ) و اسید های آلی با وزن مولکولی کم و مواد استخراجی (اسید های چرب ورزین ها )

این ترکیبات آلی به صورت شیمیایی با هیدروکسید سدیم ترکیب می شوند و نمک های سدیمی تولید می کنند . ترکیبات معدنی لیکور سیاه عبارتند از :  هیدروکسید سدیم ،سولفید سدیم ، کربنتات سدیم ، سولفات سدیم ، تیوسولفات سدیم ، کلرید سدیم . این مواد از لیکور مورد استفاده در خمیر سازی نشات گرفته اند .

تفاوت آشکاری میان لیکور گونه های مختلف چوب وجوددارد . مخصوصا میان درختان نرم و سخت ، محدوده کلی لیکور سیاه کرافت عبارتست از : لیگنین قلیایی 4-3 درصد  ،  اسید های هیدروکسی 35-25 درصد ، مواد استخراجی 5-3 درصد ، اسید استیک 5 درصد ، اسید فرمیک 3 درصد ، متانول یک درصد ، سولفور 5-3 درصد ، سدیم 20-17 درصد ،

 

ارزش حرارتی لیکور سیاه

وقتی لیکور سیاه در کوره بویلر بازیابی می سوزد ، حرارتآزاد می شود . ارزش حرارتی بالاتر (HHV) مقیاسی برای گرمای آزاد شده است . مقدار کلی HHV  لیکور سیاه کرافت بین 5400 تا 6600  Btu /lb است . هم ترکیبات آلی و هم گوگرد احیا شده لیکور سیاه در ارزش حرارتی تاثیر گذار هستند . سایر مواد معدنی همانند رقیق کننده ها عمل می کنند و ارزش حرارتی لیکور سیاه را کاهش می دهند.HHV لیکور سیاه در طراحی و عملیات بویلر بازیابی مهم است.ارزیابی تغییرات عملیاتی کارخانه روی ارزش حرارتی و لود بویلر بازیابی مفید است.

جدول 2- ترکیبات لیکور سیاه (درصد وزنی لیکور خشک )

چوب                               کاج                              صنوبر

 لیگنین                                9/28

همی سلولز و شکر                 14/1

مواد استخراجی                    69/6

اسید استیک                        52/3

اسید فرمیک                       48/4

سایر اسید های آلی                5/5

متانول                              

ترکیبات آلی نا معلوم             19

نمک های معدنی                  6/18

مواد آلی ترکیب شده با Na    1/10

مواد معدنی نا معلوم             

گوگرد

سدیم

جمع

روش کار برپایه فرض های زیر استوار است :

1-ارزش گرمایی لیکور سیاه برابربت مجموع ارزش حرارتی هریک از محصولات ضرب در وزن جزئی آنها

2- ترکیبات گوگردی برای لیکور اکسید شده دارای 85 درصد ارزش گرمایی سولفید سدیم است .

3-جامدات لیکور سیاه و ترکیبات آنها با موازنه جرمی حول دایجستر مشخص می شوند .

4- اکسیداسیون ،ارزش گرمایی لیکور سیاه را به اندازه 30 درصد بیش از گرمای آزاد شده در تبدیل سولفید سدیم به تیو سولفات ، کاهش می دهد .

 

جدول 4 - ارزش حرارتی لیکور سیاه

ترکیب

ارزش حرارتی

mJ/kg

Btu/lb

لیگنین چوبهای نرم

9/26

11600

لیگنین چوبهای سخت

1/25

10800

کربو هیدرات ها

5/13

5830

رزین ها و اسید های چرب

6/37

16200

سولفید سدیم

9/12

5550

تیوسولفات سدیم

8/5

2490

 

 

 

 

 

اساس انتقال حرارت

تبخیر لیکور سیاه عبارتست ازانتقال گرمای محسوس به لیکوردر حال حرکت ،جهت افزایش دمای آن به نقطه جوش که در ادامه با انتقال گرمای نهان در هنگام جوشش به بخار همراه است.دریک تبخیرکننده انتقال حرارت اغلب بوسیله کندانس شدن بخارآب یا بخاردیگری دریک سمت سطح گرمایی مسطح یا لوله ای رخ می دهد.

بابخارآب اشباع یا بخارات دیگر ،دما بوسیله فشار درون پوسته یامحفظه بخار هیتر یا مبدل حرارتی ، ثابت می شود.این دما در تمام سطوح گرمکن افکت ثابت باقی می ماند . در همان زمان که لیکور از بخارگرما جذب می کند ، دمای آن تا نقطه جوش بالا می رود . مکانیسمی که باعث رخ دادن جوشش می شود به هیدرولیک بکار رفته برای انتقال لیکور بستگی دارد .

سه روش برای انتقال لیکور وجود دارد : لایه لیکور رو به بالا ، لایه لیکور رو به پایین و سیرکوله اجباری لیکور .

در تبخیر کننده های روبه بالا و رو به پایین ، لیکور و بخار در دو فاز جداگانه از لوله ها عبور می کنند. در تبخیر کننده های رو به بالا ، جریان شامل ، جباب های بخار درهم و بزرگ است که مایعات بوسیله آنها بالا می روند . در سیستم های رو به پایین ، مایع بصورت لایه ای بر روی دیواره لوله ها یا صفحات صاف به پایین سقوط می کنند . در سیستم لوله ای ،بخار به صورت هسته ای درون لوله ها جریان دارد . در سیستم صفحه ای ، بخار بلافاصله بعد از تشکیل شدن می تواند از سطح مایع فرارکند و برای وارد شدن به محفظه بخار فقط باید نصف عرض صفحه را طی کند . در تبخیر کننده های سیرکوله اجباری ، بیشتر تبخیر در فلش تانک رخ می دهد . و جریان تا حدود زیادی شامل یک فاز مایع با سرعت درهم است . ( ft/s 12-6)

  جریان گرما (شدت تبخیر ) از واسطه گرما (بخار آب یا بخار فلش شده ) از دیواره فلزی به لیکور سیاه با سه عامل کنترل می شود : سطح انتقال حرارت (A ) ، افت کلی دمای کار ( ) و ضریب کلی انتقال حرارت U.

شدت انتقال حرارت با معادله زیر بیان می شود :                  

که R= مقاومت کلی نسبت به جریان گرما .

مقاومت در مقابل انتقال حرارت شامل چند قسمت به شرح زیر است:

= مقاومت لایه بخار- کندانس

= مقاومت دیواره فلزی (سطح گرمایش )

= مقاومت بخاطر رسوب ته نشین شده روی سطوح فلزی

= مقاومت لایه لیکور

این مقاومت ها بطور شماتیک در شکل 16 نشان داده شده اند . که با یکدیگر ترکیب شده تا مقاومت کلی در مقابل انتقال حرارت را شکل دهند .

برای سطوح صاف گرم شونده ، مقاوومت لایه لیکور اغلب بزرگترین عامل است . مقاومت لایه کندانس  نیز مهم است . مقاومت دیواره فلزی  اغلب کوچک است که متفاوت بوده و به سیستم ترمودینامیکی مانند نوع جریان لیکور بستگی دارد . برای لایه ساکن ، مقاومت زیاد است اما اگر جریان لیکور درهم باشد مقاومت گرمایی می تواند با ضریب ده کمتر باشد . تشکیل رسوب در سمت لیکور از انتقال حرارت ممانعت می کند . همچنین سطح زیر رسوبات ، الیاف و سایر مواد مانده در لیکور را گیر می اندازد . در غلظت های بالا لیکور ( بالاتر از 45 درصد ) مقاومت رسوب  از تمام مقاومت های موجود بیشتر است .اگر بدنه تبخیر کننده به خوبی تهویه نشود،مقاومت اضافی بخاطر پوشاندن سطح پوسته با گاز های غیر قابل کندانس (NCG ) رخ می دهد . معکوس همه این مقاومت ها به عنوان ضریب کلی انتقال حرارت U بیان می شود .

جدول 5- مقاومت های انتقال حرارت در تبخیر کننده لیکور سیاه

مقاومت

مقدار

 

 

فیلم لیکور

01/0-0014/0

02/0-00025/0

رسوب سمت لیکور

01/0-0001/0

002/0-00002/0

دیواره لوله

0006/0

0001/0

رسوب سمت بخار

001/0-0001/0

0002/0-00002/0

لایه کندانس بخار

001/0-0006/0

0002/0-0001/0

مقاومت کلی

020/0-0028/0

0035/0-005/0

 

اختلاف دما یک نیروی تاثیر گذار در شدت انتقال حرارت به لیکورسیاه است . از لحاظ تئوری افت کلی دما ، باید اختلاف میان دمای بخار اشباع مورد استفاده در اولین افکت و بخار کندانس شده در کندانسور باشد (   63 -52) . البته افت دمای موجود به طور قابل توجهی با BPR کاهش می یابد . تبخیر کننده های رو به پایین در افت دما های کمتری کار می کنند . برای یک تبخیر کننده دارای یک شکل مشخص و تجهیزات معین ، تنها عامل برای عملیات مناسب که می تواند شدت تبخیر را کاهش دهد ، اختلاف دماست . 

 

 جدول 6 - خلاصه ای از انواع تبخیر کننده ها لیکور سیاه

تبخیر کنند های لایه ای (فیلمی )

رو به بالا

  • - تیوب هاب بلند عمودی (LTV)

رو به پایین

  • - نوع لوله ای (با پیش گرمکن یا بدون آن )
  • - نوع صفحه ای گود
  • - نوع صفحه ای شیار دار

تبخیر کنندهای ترکیبی رو به بالا و رو به پایین

- نوع PRF

تبخیر کنند های ویژه با استفاده از سیرکولاسیون اجباری

  • - LTV با سیرکولاسیون
  • - سیرکولاسیون اجباری با بخش لوله ای عمودی درونی
  • - سیرکولاسیون اجباری با بخش لوله ای افقی - عمودی بیرونی
  • - نوع PRF با سیرکولاسیون
  • - تبخیر کننده / کریستالیزر

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کامران بذار
فارغ التحصیل مهندسی شیمی دانشگاه تهران - دانشکده فنی سوابق کاری :باطریسازی نیرو - مجتمع مس سرچشمه - صنایع چوب و کاغذ مازندران
کدهای اضافی کاربر :