间隙蒸煮过程优化(一)——初期木片药液渗入研究(发表)

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1、间隙蒸煮过程优化（一）——初期木片药液渗入研究许向阳祝和云孙优贤（浙江大学工业控制研究所，杭州，310027）摘要：间隙蒸煮过程中，木片被药液浸没后，药液在木片中的渗入上受多种因素影响的。渗入不完全往往造成蒸煮不均匀，影响浆的得率。本文从机理上分析药液在木片中的渗入过程，研究在各种因素变化情况下对渗入的影响，建立渗入的数学模型，为蒸煮过程的优化作一定基础。关键字：间隙蒸煮过程，渗透，扩散，渗入模型，毛细管一、引言有关蒸煮过程的工艺研究从本世纪初就有很多，人们在感性上对其已有较深的认识。但由于蒸煮工艺的复杂性、多变性等原因，还未能很好地建立起一个完善的模型，并将其用于优化。蒸煮

2、过程所受到的工艺上的影响因素非常之多，如木片的大小尺寸、形状、均匀度、品种、老嫩、新旧、树皮和木节的含量、干湿情况、装锅情况（如蒸汽装锅、锅内堆积情况等）；药液浓度、温度、粘度、组分、药液循环情况、加热情况等。过去人们所做的工作中，大多通过实验观察蒸煮结果，直接寻求某个因素的变化引起的蒸煮情况的变化规律[8~13]。这些规律的获得为蒸煮过程的正确操作提供了很大的帮助，也为蒸煮建模提供丰富的数据资源。但这些规律往往不能体现影响的内在机理。也有人从机理上探求蒸煮的脱木素过程，如R.,R.,Gustafson等[4]建立的药液扩散模型具有较好的理论依据；Y.,L.,Sidrak[5

3、]对连蒸过程建立模型后实现了优化。但仅有的这些工作是有限的，模型中有较多简化，许多因素的影响都无法考虑。蒸煮首先进行的是药液在木片中的渗入过程。初期渗入进行的好坏直接影响到蒸煮的质量和产量；而渗入又很大程度地受到木片及药液等一些因素的影响，尤其是木片的尺寸、干燥程度、品种、老嫩，药液的浓度、组分和温度等。在对蒸煮过程进行机理分析的时候必须分析药液渗入这一环节。精确的渗入模型将为良好预测浆的质量和产量提供前提条件，本文正是出于这一目的，对药液在木片中的渗入过程进行较深入的研究，并由此建立起机理模型，用以分析各种变化因素对渗入带来的影响。二、木纤维物理结构渗入过程在很大程度上受到

4、木纤维物理结构的影响，因此在分析渗入过程之前，必须首先研究木纤维及与之有关的物理特性。以下主要以针叶木马尾松为例进行讨论。7首先从图一马尾松三向剖面图可以看到木纤维细胞的排列和分布情况。对针叶木，水份和养料主要靠纤维细胞的细胞腔运送，从图中可看到早材和晚材细胞的细胞壁和细胞腔有较大差异。马尾松早材平均腔径为33.1mm，晚材平均腔径为16.6mm。由纤维细胞细胞腔形成的毛细管结构也主要负担药液的渗透和扩散工作。由于纤维细胞排列的一致性，药液渗透呈各向异性，主要沿木片径向渗透，横向渗透几乎等于零。药液扩散亦是如此。而当纤维细胞壁浸没在pH>12的溶液中时，有研究表明细胞壁的膨胀

5、使药液能横向扩散，并与径向速度相近。因此未经预浸泽的木片在蒸煮初期，药液的渗透和扩散都仅在径向进行。木片早材和晚材的结构差异很大，晚材细胞壁厚，腔小，这对渗透是不利的。但由于渗透的阻力主要来自细胞之间的纹孔(以下将分析到)，而早材腔径大，要求容纳的药液更多，实际上晚材比早材渗透还略快些。可视早、晚材渗透情况一致，即整块木片渗透在横向是一致的。初期的扩散作用也类似。图一、马尾松木纤维细胞排列纤维细胞的细胞壁上存在大量的纹孔，构成细胞与细胞之间的通道。树木细胞间水分和养料的传输就是通过纹孔进行的。横向木射线细胞细胞壁上也存在大量纹孔，与纤维细胞壁上的纹孔构成交叉场纹孔，形成水分和

6、养料一定程度的横向传输(可忽略)。针叶木纹孔内径一般在3.0mm左右。木片蒸煮过程中，药液的渗透和扩散都经纹孔流向另一细胞腔。由上讨论，木片的毛管结构基本为由纹孔相连的纤维细胞细胞腔，管径在纹孔处小，在细胞腔处大，呈周期变化，如图二所示。7三、渗透机理由流体渗透原理，对图二毛细管径呈周期变化的毛管来说，其渗透的阻力主要来自孔颈(纹孔)处，而渗透的推动力却主要来自管径大的管段(细胞腔)。因此其等效管径并不能从其物理管径求平均而得，其值往往要比孔颈管径小得多。设等效管径为，由Washburn方程：(1)其中v为毛细移动速度，m/s；s为药液表面张力，N/m；m为药液粘度，；h为毛

7、细移动距离，m。可得其积分形式：(2)从该式可直接看出渗透过程与各物理因素的关系。可利用该式测取木片的等效毛细管径，也可将之用于求取渗透时间。木片和药液对渗透的影响因素有部分是在公式(2)中体现出来的，如h反映木片尺寸，部分体现了木片的品种；而s、m反映的是药液的物理特性。刚装锅的木片都不同程度含有水分，所含水分部分存在于细胞腔内。当药液从木片径向两端渗入时，将驱替这些水分往中间走，直到使其全部集中于木片中部，渗透即停止进行，之后进行的是药液组分在水中的扩散。以上两步并不是完全分开进行的，往往同时就发生