蒸煮原理課件

第二章化學(xué)法制漿第二節(jié)蒸煮原理第二章化學(xué)法制漿第二節(jié)蒸煮原理

一、蒸煮液對(duì)原料片的浸透作用二、蒸煮過程中的脫木素化學(xué)和脫木素反應(yīng)歷程三、蒸煮過程中碳水化合物降解化學(xué)及碳水化合物反應(yīng)歷程四、蒸煮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容第二節(jié)蒸煮原理一、蒸煮液對(duì)原料片的浸透作用主要內(nèi)容第二節(jié)蒸煮原理堿液怎樣進(jìn)入纖維原料內(nèi)部，與木素發(fā)生反應(yīng)將其溶解出來？

藥液浸透作用的兩個(gè)方式：（1）壓力滲透（2）擴(kuò)散滲透一、蒸煮液對(duì)木片或草片的浸透作用蒸煮中強(qiáng)調(diào)藥液的滲透！堿液怎樣進(jìn)入纖維原料內(nèi)部，與木素發(fā)生反應(yīng)藥液浸1、壓力滲透（毛細(xì)管滲透）途徑：通過導(dǎo)管或管胞的胞腔或紋孔等向內(nèi)部滲透。V/t：單位時(shí)間通過毛細(xì)管的液體體積n：毛細(xì)管數(shù)量；r：毛細(xì)管半徑L：毛細(xì)管長度；η：液體粘度ΔP：壓力差（外部壓力和表面張力）

nr4ΔPV/t=Lη（1）速率遵循的原則為poiseaille

方程產(chǎn)生條件－－毛細(xì)管作用，發(fā)生在纖維飽和點(diǎn)之前。推動(dòng)力：△P=P–P1

（P1主要因不凝性氣體而增大）（一）藥液滲透基本原理1、壓力滲透（毛細(xì)管滲透）途徑：通過導(dǎo)管或管胞的胞腔或紋孔等影響因素（1）毛細(xì)管系統(tǒng)：材種及邊材、心材；（2）壓力差：毛細(xì)管中的空氣用小放氣、預(yù)汽蒸、蒸汽裝鍋等辦法排出；（3）藥液粘度：溫度。在纖維原料水分含量低而又排除了原料毛細(xì)管內(nèi)的空氣之后，藥液對(duì)原料切片的浸透主要是毛細(xì)管作用，且浸透速度很快。影響因素（1）毛細(xì)管系統(tǒng)：材種及邊材、心材；在纖維2.擴(kuò)散滲透擴(kuò)散速率遵循愛因斯坦方程擴(kuò)散是蒸煮液中的離子擴(kuò)散到存在于料片的水分中。

推動(dòng)力：濃度梯度ΔC（dc/dL）。產(chǎn)生條件：纖維飽和點(diǎn)之后。R：氣體常數(shù)T：絕對(duì)溫度N：阿佛加德羅常數(shù)η：藥液粘度r：藥液離子半徑D:擴(kuò)散系數(shù)2.擴(kuò)散滲透擴(kuò)散速率遵循愛因斯坦方程擴(kuò)散是蒸煮液影響因素（1）濃度梯度（連蒸中間抽液）；

（2）藥液溫度；（3）藥液離子的活性；（4）毛細(xì)管有效截面積

總的來說，毛細(xì)管浸透比擴(kuò)散浸透快，這一點(diǎn)不管藥液pH值的大小如何，都是一樣的。影響因素（1）濃度梯度（連蒸中間抽液）；總的來說

一般蒸煮條件下藥液的浸透情況

實(shí)際上，毛細(xì)管作用、擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，但有主次之分。蒸煮初期，毛細(xì)管作用是主要的；溫度超過140℃，擴(kuò)散作用是主要的。一般蒸煮條件下藥液的浸透情況①縱向滲透（纖維軸向）

a.針葉木：通過管胞滲透到木片中；b.闊葉木：通過導(dǎo)管；

c.草類：通過導(dǎo)管；（二）滲透途徑

由于橫向流經(jīng)許多紋孔阻力大，無論堿性或酸性蒸煮液，纖維軸向的毛細(xì)管作用總是大于橫向的毛細(xì)管作用（約50倍－200倍）。②橫向滲透（細(xì)胞壁方向）a.針葉木：通過管胞紋孔從一根纖維滲透到另一根纖維（S3→S2→S1→P→胞間層）；b.闊葉木：通過木射線管胞上的紋孔；c.草類：通過纖維上單紋孔。1、蒸煮液整體滲透途徑①縱向滲透（纖維軸向）（二）滲透途徑由于橫向流經(jīng)許多紋楊木導(dǎo)管帶有小舌楊木導(dǎo)管帶尾葉桉導(dǎo)管帶有小舌具有桉木導(dǎo)管的特點(diǎn)尾葉桉導(dǎo)管帶有小舌針葉木纖維紋孔針葉木纖維纖維細(xì)胞在堿液中發(fā)生潤脹，在酸液中發(fā)生收斂。擴(kuò)散速度：堿法：縱向、切向和橫向基本相等酸法：縱向、切向和橫向相差很大2、擴(kuò)散途徑胞腔→S3→S2→S1→

初生壁（P）→ML胞間層（木質(zhì)素含量高）

總的來說，毛細(xì)管浸透比擴(kuò)散浸透快，這一點(diǎn)不管藥液PH值的大小如何，都是一樣的。纖維細(xì)胞在堿液中發(fā)生潤脹，在酸液中發(fā)生2、擴(kuò)散途徑胞腔→S不同的原料，蒸煮液浸透的難易程度不同闊葉木較針葉木難于浸透:

闊葉木由導(dǎo)管進(jìn)行縱向浸透，橫向幾乎沒有浸透；組織結(jié)構(gòu)較緊密。針葉木結(jié)構(gòu)疏松，藥液從木片末端，即管胞進(jìn)入胞腔，然后穿過多孔性的紋孔膜浸入相鄰的細(xì)胞腔,藥液沿縱向流速比橫向大100－200倍。相同液比進(jìn)行蒸煮，木材原料滲透更容易，草類則較難。不同的原料，蒸煮液浸透的難易程度不同焦點(diǎn)：在盡量少損傷纖維素和半纖維素的前提下加快木素的脫除。二、蒸煮過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理焦點(diǎn)：二、蒸煮過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理CommonLinkagesbetweenPhenylpropaneUnits針葉材：醚鍵65－70%，C-C鍵17.5－20%闊葉材：醚鍵74－76%，C-C鍵16%CommonLinkagesbetweenPhenyl反應(yīng)歷程是研究蒸煮過程中各階段原料中木素和碳水化合物溶出特征及變化規(guī)律，特別是脫木素反應(yīng)歷程。

即蒸煮過程中木素和碳水化合物的反應(yīng)有無階段性，以及每一階段脫除木素的量和速度又是怎樣的？（1）反應(yīng)歷程（蒸煮曲線）1、蒸煮過程中木素的反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程是研究蒸煮過程中各階段原料中木素和碳水化合物溶出特征以我國馬尾松硫酸鹽法蒸煮時(shí)脫木素為例

初始脫木素階段大量脫木素階段殘余脫木素階段（2）木材KP法蒸煮反應(yīng)歷程

－－脫木素反應(yīng)歷程以我國馬尾松硫酸鹽法蒸煮時(shí)脫木素為例（2）木材KP法蒸煮反蒸煮初期－－從升溫開始到140℃以前；木素的溶出量：原料中總木素含量的20－25％；初始脫木素階段說明此階段蒸煮液正在浸透到原料里面，堿主要消耗在半纖維素和短鏈的纖維素上。－－不宜高溫溶出的木素屬“易溶木素”：酚型α－和部分酚型β－芳基醚鍵的斷裂；特征：有極快的消耗堿的速度，但脫木素量卻不大，其特征是木素抽提過程。蒸煮初期－－從升溫開始到140℃以前；初始脫木素階段說明此階大量脫木素階段從升溫末期到最高溫度前（150-175℃）；溶出木素占原料中木素的70－80％。酚型的β－芳基醚鍵的斷裂（如有α－OH的非酚型β－）和由此而接著發(fā)生的酚型β－芳基醚鍵的斷裂。到175℃時(shí)，大部分木素溶出，木片已成漿此階段堿液的濃度下降不大，但脫木素量卻很大。說明此階段堿與木素大量反應(yīng)。大量脫木素階段從升溫末期到最高溫度前（150-175℃）；蒸煮后期：最高溫－保溫期間脫木素速度變慢：原料中木素的8%；木素含量：軟木4－5%硬木3%。溶出的木素屬“難溶木素”：C-C鍵聯(lián)接和木素－碳水化合物（LCC）聯(lián)接的木素。碳水化合物的溶解速度逐漸增加并超過木素的溶解速度。堿液濃度繼續(xù)下降。殘余脫木素階段說明此階段如果繼續(xù)蒸煮，殘余木素很難脫除，而碳水化合物損失很大。蒸煮后期：最高溫－保溫期間殘余脫木素階段說明此階段如果繼續(xù)蒸

蒸煮曲線的制訂根據(jù)脫木素的反應(yīng)及反應(yīng)歷程來考慮，同時(shí)也要考慮碳水化合物的降解反應(yīng)和條件。升溫時(shí)間應(yīng)足夠，以保證藥液的浸透，但3小時(shí)已經(jīng)足夠了，保溫時(shí)間不宜不適當(dāng)?shù)匮娱L，一般0.5－1小時(shí).最高溫度的確定：即要使木素大量溶出，又不能使碳水化合物降解太多，175℃已過高，可略為降低（碳水化合物從52.27%下降到43.48%）,167－170℃為宜。蒸煮曲線的制訂（3）草類原料脫木素反應(yīng)歷程大量脫木素階段

補(bǔ)充脫木素階段

殘余木素脫除階段

－－T<100℃，60%木素脫出，47%半纖維素溶出。耗堿量為50%，－－T=100℃－160℃，30%木素和9%半纖維素脫出。耗堿量為10%－15%，脫木素速度明顯減慢。－－T=160℃保溫，5%－10%木素和3%半纖維素脫出。堿耗主要消耗在溶出木素和碳水化合物的進(jìn)一步分解。（3）草類原料脫木素反應(yīng)歷程大量脫木素階段補(bǔ)充脫第二節(jié)蒸煮原理課件

蒸煮曲線的制訂升溫時(shí)間：可稍長，1－2小時(shí)（慢升溫）保溫時(shí)間：0－0.5小時(shí)（短保溫或不保溫）最高溫度：150－160℃，甚至可低于140℃這樣的蒸煮曲線可以提高草類原料的得率和強(qiáng)度。蒸煮曲線的制訂（4）竹子的脫木素歷程

竹子屬于非木材原料，其物理化學(xué)性質(zhì)介于木材和非木材之間。大量脫木素階段：在升溫至160℃，此時(shí)木素的脫除率約為總木素量的83%左右；補(bǔ)充脫木素階段：160℃到保溫1h，脫除總木素量的11％，此階段脫木素速度也明顯減慢；殘余脫木素階段：保溫階段，脫除總木素量的5％。（4）竹子的脫木素歷程竹子屬于非木材原料，其物理化學(xué)性

2、木材KP法蒸煮碳水化合物反應(yīng)歷程初始脫木素階段，碳水化合物溶出較多，升溫到150℃，溶出碳水化合物17.5％，占原料中碳水化合物25.16％，紙漿得率下降至74％。大量脫木素階段：溶出碳水化合物8.79％，占原料中碳水化合物12.56％，紙漿得率顯著下降，到175℃時(shí)，紙漿得率只有47％。殘余木素脫除階段：碳水化合物溶出一直是直線增加，因而，雖然木素溶出較少，紙漿的得率卻不斷下降，保溫100min時(shí)，得率下降到37.52％。－－馬尾松為例2、木材KP法蒸煮碳水化合物反應(yīng)歷程－－馬尾松為例碳水化合物中各組分的降解速率是不同的碳水化合物中各組分的降解速率是不同的堿液主要消耗于下列幾個(gè)方面：(1)與木素的反應(yīng)，20－25％。(2)與部分半纖維素、纖維素發(fā)生氧化或堿性降解反應(yīng)，60－65％。(3)中和原料中的有機(jī)酸以及在蒸煮過程中由于碳水化合物降解而產(chǎn)生的有機(jī)酸，9－10％。(4)與原料中的樹脂起皂化作用，3－5％。(5)少量堿液被吸附在纖維的表面上，6％。三、在堿法蒸煮過程中，堿主要消耗在哪些方面?堿液主要消耗于下列幾個(gè)方面：三、在堿法蒸煮過程中，堿主要消耗第二節(jié)蒸煮原理課件TheEndTheEnd第二章化學(xué)法制漿第二節(jié)蒸煮原理第二章化學(xué)法制漿第二節(jié)蒸煮原理

一、蒸煮液對(duì)原料片的浸透作用二、蒸煮過程中的脫木素化學(xué)和脫木素反應(yīng)歷程三、蒸煮過程中碳水化合物降解化學(xué)及碳水化合物反應(yīng)歷程四、蒸煮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要內(nèi)容第二節(jié)蒸煮原理一、蒸煮液對(duì)原料片的浸透作用主要內(nèi)容第二節(jié)蒸煮原理堿液怎樣進(jìn)入纖維原料內(nèi)部，與木素發(fā)生反應(yīng)將其溶解出來？

藥液浸透作用的兩個(gè)方式：（1）壓力滲透（2）擴(kuò)散滲透一、蒸煮液對(duì)木片或草片的浸透作用蒸煮中強(qiáng)調(diào)藥液的滲透！堿液怎樣進(jìn)入纖維原料內(nèi)部，與木素發(fā)生反應(yīng)藥液浸1、壓力滲透（毛細(xì)管滲透）途徑：通過導(dǎo)管或管胞的胞腔或紋孔等向內(nèi)部滲透。V/t：單位時(shí)間通過毛細(xì)管的液體體積n：毛細(xì)管數(shù)量；r：毛細(xì)管半徑L：毛細(xì)管長度；η：液體粘度ΔP：壓力差（外部壓力和表面張力）

nr4ΔPV/t=Lη（1）速率遵循的原則為poiseaille

方程產(chǎn)生條件－－毛細(xì)管作用，發(fā)生在纖維飽和點(diǎn)之前。推動(dòng)力：△P=P–P1

（P1主要因不凝性氣體而增大）（一）藥液滲透基本原理1、壓力滲透（毛細(xì)管滲透）途徑：通過導(dǎo)管或管胞的胞腔或紋孔等影響因素（1）毛細(xì)管系統(tǒng)：材種及邊材、心材；（2）壓力差：毛細(xì)管中的空氣用小放氣、預(yù)汽蒸、蒸汽裝鍋等辦法排出；（3）藥液粘度：溫度。在纖維原料水分含量低而又排除了原料毛細(xì)管內(nèi)的空氣之后，藥液對(duì)原料切片的浸透主要是毛細(xì)管作用，且浸透速度很快。影響因素（1）毛細(xì)管系統(tǒng)：材種及邊材、心材；在纖維2.擴(kuò)散滲透擴(kuò)散速率遵循愛因斯坦方程擴(kuò)散是蒸煮液中的離子擴(kuò)散到存在于料片的水分中。

推動(dòng)力：濃度梯度ΔC（dc/dL）。產(chǎn)生條件：纖維飽和點(diǎn)之后。R：氣體常數(shù)T：絕對(duì)溫度N：阿佛加德羅常數(shù)η：藥液粘度r：藥液離子半徑D:擴(kuò)散系數(shù)2.擴(kuò)散滲透擴(kuò)散速率遵循愛因斯坦方程擴(kuò)散是蒸煮液影響因素（1）濃度梯度（連蒸中間抽液）；

（2）藥液溫度；（3）藥液離子的活性；（4）毛細(xì)管有效截面積

總的來說，毛細(xì)管浸透比擴(kuò)散浸透快，這一點(diǎn)不管藥液pH值的大小如何，都是一樣的。影響因素（1）濃度梯度（連蒸中間抽液）；總的來說

一般蒸煮條件下藥液的浸透情況

實(shí)際上，毛細(xì)管作用、擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，但有主次之分。蒸煮初期，毛細(xì)管作用是主要的；溫度超過140℃，擴(kuò)散作用是主要的。一般蒸煮條件下藥液的浸透情況①縱向滲透（纖維軸向）

a.針葉木：通過管胞滲透到木片中；b.闊葉木：通過導(dǎo)管；

c.草類：通過導(dǎo)管；（二）滲透途徑

由于橫向流經(jīng)許多紋孔阻力大，無論堿性或酸性蒸煮液，纖維軸向的毛細(xì)管作用總是大于橫向的毛細(xì)管作用（約50倍－200倍）。②橫向滲透（細(xì)胞壁方向）a.針葉木：通過管胞紋孔從一根纖維滲透到另一根纖維（S3→S2→S1→P→胞間層）；b.闊葉木：通過木射線管胞上的紋孔；c.草類：通過纖維上單紋孔。1、蒸煮液整體滲透途徑①縱向滲透（纖維軸向）（二）滲透途徑由于橫向流經(jīng)許多紋楊木導(dǎo)管帶有小舌楊木導(dǎo)管帶尾葉桉導(dǎo)管帶有小舌具有桉木導(dǎo)管的特點(diǎn)尾葉桉導(dǎo)管帶有小舌針葉木纖維紋孔針葉木纖維纖維細(xì)胞在堿液中發(fā)生潤脹，在酸液中發(fā)生收斂。擴(kuò)散速度：堿法：縱向、切向和橫向基本相等酸法：縱向、切向和橫向相差很大2、擴(kuò)散途徑胞腔→S3→S2→S1→

初生壁（P）→ML胞間層（木質(zhì)素含量高）

總的來說，毛細(xì)管浸透比擴(kuò)散浸透快，這一點(diǎn)不管藥液PH值的大小如何，都是一樣的。纖維細(xì)胞在堿液中發(fā)生潤脹，在酸液中發(fā)生2、擴(kuò)散途徑胞腔→S不同的原料，蒸煮液浸透的難易程度不同闊葉木較針葉木難于浸透:

闊葉木由導(dǎo)管進(jìn)行縱向浸透，橫向幾乎沒有浸透；組織結(jié)構(gòu)較緊密。針葉木結(jié)構(gòu)疏松，藥液從木片末端，即管胞進(jìn)入胞腔，然后穿過多孔性的紋孔膜浸入相鄰的細(xì)胞腔,藥液沿縱向流速比橫向大100－200倍。相同液比進(jìn)行蒸煮，木材原料滲透更容易，草類則較難。不同的原料，蒸煮液浸透的難易程度不同焦點(diǎn)：在盡量少損傷纖維素和半纖維素的前提下加快木素的脫除。二、蒸煮過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理焦點(diǎn)：二、蒸煮過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理CommonLinkagesbetweenPhenylpropaneUnits針葉材：醚鍵65－70%，C-C鍵17.5－20%闊葉材：醚鍵74－76%，C-C鍵16%CommonLinkagesbetweenPhenyl反應(yīng)歷程是研究蒸煮過程中各階段原料中木素和碳水化合物溶出特征及變化規(guī)律，特別是脫木素反應(yīng)歷程。

即蒸煮過程中木素和碳水化合物的反應(yīng)有無階段性，以及每一階段脫除木素的量和速度又是怎樣的？（1）反應(yīng)歷程（蒸煮曲線）1、蒸煮過程中木素的反應(yīng)歷程反應(yīng)歷程是研究蒸煮過程中各階段原料中木素和碳水化合物溶出特征以我國馬尾松硫酸鹽法蒸煮時(shí)脫木素為例

初始脫木素階段大量脫木素階段殘余脫木素階段（2）木材KP法蒸煮反應(yīng)歷程

－－脫木素反應(yīng)歷程以我國馬尾松硫酸鹽法蒸煮時(shí)脫木素為例（2）木材KP法蒸煮反蒸煮初期－－從升溫開始到140℃以前；木素的溶出量：原料中總木素含量的20－25％；初始脫木素階段說明此階段蒸煮液正在浸透到原料里面，堿主要消耗在半纖維素和短鏈的纖維素上。－－不宜高溫溶出的木素屬“易溶木素”：酚型α－和部分酚型β－芳基醚鍵的斷裂；特征：有極快的消耗堿的速度，但脫木素量卻不大，其特征是木素抽提過程。蒸煮初期－－從升溫開始到140℃以前；初始脫木素階段說明此階大量脫木素階段從升溫末期到最高溫度前（150-175℃）；溶出木素占原料中木素的70－80％。酚型的β－芳基醚鍵的斷裂（如有α－OH的非酚型β－）和由此而接著發(fā)生的酚型β－芳基醚鍵的斷裂。到175℃時(shí)，大部分木素溶出，木片已成漿此階段堿液的濃度下降不大，但脫木素量卻很大。說明此階段堿與木素大量反應(yīng)。大量脫木素階段從升溫末期到最高溫度前（150-175℃）；蒸煮后期：最高溫－保溫期間脫木素速度變慢：原料中木素的8%；木素含量：軟木4－5%硬木3%。溶出的木素屬“難溶木素”：C-C鍵聯(lián)接和木素－碳水化合物（LCC）聯(lián)接的木素。碳水化合物的溶解速度逐漸增加并超過木素的溶解速度。堿液濃度繼續(xù)下降。殘余脫木素階段說明此階段如果繼續(xù)蒸煮，殘余木素很難脫除，而碳水化合物損失很大。蒸煮后期：最高溫－保溫期間殘余脫木素階段說明此階段如果繼續(xù)蒸

蒸煮曲線的制訂根據(jù)脫木素的反應(yīng)及反應(yīng)歷程來考慮，同時(shí)也要考慮碳水化合物的降解反應(yīng)和條件。升溫時(shí)間應(yīng)足夠，以保證藥液的浸透，但3小時(shí)已經(jīng)足夠了，保溫時(shí)間不宜不適當(dāng)?shù)匮娱L，一般0.5－1小時(shí).最高溫度的確定：即要使木素大量溶出，又不能使碳水化合物降解太多，175℃已過高，可略為降低（碳水化合物從52.27%下降到43.48%）,167－170℃為宜。蒸煮曲線的制訂（3）草類原料脫木素反應(yīng)歷程大量脫木素階段

補(bǔ)充脫木素階段

殘余木素脫除階段

－－T<100℃，60%木素脫出，47%半纖維素溶出。耗堿量為50%，－－T=100℃－160℃，30%木素和9%半纖維素脫出。耗堿量為10%－15%，脫木素速度明顯減慢。－－T=160℃保溫，5%－10%木素和3%半纖維素脫出。堿耗主要消耗在溶出木素和碳水化合物的進(jìn)一步分解。（3）草類原料脫木素反應(yīng)歷程大量脫