автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Процессы хлопьеобразования и разрушения флокулы в движущейся водно-волокнистой суспензии

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЯЛШОЗНО-БУМА ИНОЙ ЛРОШЩ/КННОСТИ

На правах рукописи

ЛИ вон

ПРСЦЕССЫ ХЛОЛЬЕОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ¡МШУЛЫ В ДВИЖУЩЕЙСЯ ВОДНО-ВОЛОКНИСТОЙ СУСПЕНЗИИ

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена на кафедре "Машины автоматизированных систем" Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Знамени технологического института целлюлозно-бумажной промышленности.

- доктор технических наук, профессор Кугутаев И.Д.

- доктор технических наук, профессор Калинин 11. Н.

кандидат технических наук цоцент Тотухов ЮЛ!.

Центральный научно-исследовательский институт бумагоделательного машиностроения (ЦНШБуммаш")

Защита состоится " 1992 г. в пасов на

заседании специализированного Совета Д С63-24-01 Санкт-Летербург-ского ордена Трудового Красного Знамени технологического института целлюлозно-бумажной промышленности по адресу: 198092, Санкт-Петербург, ул.Ивана Черных, д.4, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Знамени технологического института целлюлозно-бумажной промышленности.

Автореферат разослан " " ^лУ) 1992 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Ученый секретарь , л

специализированного Совета ^ШМ-С1^-^ Швецов Ю.Н.

"ВДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение скоростей бумагоделательных машин, а также повышение требований к качественным показателям продукции определяет значение равномерности структуры отливаемого полотна, что в основном решается степенью флокуляции волокон в бумажной массе. Поэтому важно изучать процесс флокуляции,происходящий на стадии формования полотна на сетофюй части бума -годелательной машины.

Флокуляция значительно влияет на удержание компонентов бумажной массы при наполнении и проклейке бумаги, на скорость обезвоживания бумажной массы на сеточном столе бумагоделательной машины, на прочность бумаги во влажном состоянии и, следовательно,на стабильную и безобрывную работу бумагоделательной машины.

Флокуляция волокон является одной из основных причин необходимости сильного разбавления волокнистых суспензий и повышенного расхода воды при изготовлении бумаги. В процессе изготовления бумаги на бумагоделательных машинах применяется целый ряд при -способлений для разрушения флокул: диспергирующие перфорирован- • ные вращающиеся валики, формы пстокораспределительной напускной щели, вибрирующие планки, тряска сеточного стола и др, Несмотря на обилие приспособлений и разнообразие их видов, эффективность их применения подчас недостаточна вследствие отсутствия надла -жащего представления о механизме роста флокул и их разрушении.

Поэтому знание скорости хлопьйобразования и диспергирующего воэдействил волокнистой суспензии необходимо, чтобы рационально управлять и повысить интенсивность технологического процесса и точно производить расчеты оборудования целлюлозно-бумажного производства для получения высококачественной бумаги.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с региональной программой Межведомственного Координационного Совета Академии Наук в Санкт-Петербурге по проблеме комплексного использования и воспроизводства лесных ресурсов на 1966-1990 гг., задание 2.6.1 - Разработка и внедрение перспективных технологических процессов формования бумажного полотна и указаний т.Ким Ир Сена в 1982 г. "Пути развития целлюлозно-бумажной промышленности в КНДР".

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса образования флокул и их разрушения. Разработка рекомендации по применению диспергирующих элементов и аппаратов.

Для достижения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

- разработка теоретической модели процесса хлопьеобразования в потоке водно-волокнистой суспензии,под действием градиентов течения;■ .

- разработка методики исследования процессов хлопьеобразования;

- исследование степени, скорости роста и разрупенмя ^локул водно-волокнистой суспензии под действием градиентов течения;

- исследование влияния вязкости воды на процесс хлопьеобразования;

- на основании полученных данных, характеризующих степени и скорости роста флекул и их разрушния, произвести опенку эффективности конструкции применяемых диспергирующих элементов.

Основные положения мэтодики исследований. Теоретические исследования процесса хлопьеобразован"я выполнены на основе анализа движения водно-волокнистой суспензии в градиентном потоке, с учетом переменной кассы флокул (роста ч разрумензд).

Экспериментальные исследования проводились на специально модернизированном вискозиметре, позволяющем исследовать водно-волокнистую суспензию с целью оценки дисперсионных характеристик, эффекта разруиения и роста хлопьев в зависимости от градиентов течения.

Дисперсионный анализ яодно-голокнпстой суспензии проводился методами светорассепвания, фотографирования и кино-съемки.

Научная новизна. Разработана теоретическая модель процесса разрушения и роста флокул в потоке водно-голокнистой суспензии Под действием градиентов течения. Предложена методика определения геометрических параметров состояния суспензии. Показана связь между величиной флокул и приведенной вязкостью суспензии. Выявлено влияние вязкости воды на процесс хлопьеобразования.

Практическая ценность. Показана связь между геометрическими параметрами флокул водна-волокнистой суспензии и создаваемыми градиентами течения, которая позволяет производить анализ эффективности диспергируюцих элементов бумагоделательной машины. Предложен метод определения степени диспергации в зависимости

от градиентов течения. Предложено применение диспергирующего роторно-статорного аппарата.

Рекомендация проньшиюнного примзнэнил. Разработанная методика определения геометрических параметров диспергируецой суспен -эии рекомендуется для применения в производства бумаги на бума -годелательных машинах путем включения в массоподакуцую систему,до напорного ящика, роторно-статорного аппарата и магнитной обра -ботки.

Публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи.

Объем работы. Диссертация предстаплэна на 134 страницах машинописного текста, содержит '¿3 таблиц, 46 рисунков.

Структура работа. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии, содержащей 169 наименования.

Автор защищает:

I. Модель процесса роста и разрушения флокул в потока водно-волокнистой суспензии.

К. Методику проведения и обработки лабораторных исследований.'

3. Методику оценки степени флокуляции, скорости образования и разрушения флокул.

4, Практическое использование результатов выполненных исследований.

¡(РАТНОЙ СОД15РМАШВ РЛБОЩ

Во введении обосновывается актуальность тепы диссертации, формулируются основные положения работы.

3 первой глада проведен анализ литературы по вопросам, посвя- ' щенныи хцопьеобраэованию бумажной иассы.

Отнечается, Что актуальны« направленном в совершенствований, промышленных способов изготовления бумаги является обеспечение необходимой дефяокуляций бумажной пассы для получения высокого КаЧёства готовой Продукции.

Иизющиеся немногоэдс.пзнш9 теоретические и экеперинзнталь -ние данные, касающиеся процессов дефло^ляции, не отвечает требованием конструирования элементов, применяемых в машинах. В процессе изготовления бумаги происходит как разрушение флокул, так и их рост.

Анализ литературных источников показал, что отсутствует

единая теоретическая модель явления флокуляции, не известны скорости роста флокул и их разрушения под действием градиентов течения бумажной массы.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи иссле-. дованиЯ.

Вторая глава посвящена разработке теоретической модели процесса хлопьеобразования под действием градиентов течения сус -пензяи.

lia основании визуальных наблюдений и киносъемки движущегося потока суспензии бумажной массы установлено, что -в зависимости от величины градиента течения нтеет место рост флокул и их разрушение, что позволяет построить модель хлопьеобразования, ис -ходя из следующих положений когда процесс осаждения волокон на флокуле может быть представлен в виде модели:

1. Свободное волокно переходит из суспензии во флокулу в результате краевого градиента течения суспензии.

2. Присоединяемее волокно меняет кинетическую энергию фло-кулы в сторону ее увеличения.

3. Присоединение волокна к флокуле равновероятно концентрации волокон в суспензии, и по мера роста флокул концентрация свободных волокон в суспензии убывает (в ограниченном объеме).

4. Вероятность присоединения волокон к флокуле определяется ориентацией и физико-химическими условиями поверхностей волокна и флокулн.

Обозначим:

,1» _ число волокон в ограниченном объеме суспензии;

ПФ - число волокон во флокуле;

■Щ- - изменение- числа свободных волокон в зависимости

dX

от градиента течения.

Считаем, что элементарное изменение свободных волокон в суспензии меняется в зависимости от их числа.

АП'---А.,и

иг ' (I) где ск - постоянный коэффициент.

Откуда , , %

1л По = -оМГ + С (2)

ПРИ У =» 0 , П,.= П., , 1п П„ -С .

где Псе- первоначальное содержание числа сободных волокон

Число оставнихеч свободных волокон в суспензии будет

п„ = п.» • е

(4)

Число волокон, присоединяемых к флокуле,

(5)

Получаем постепенное возрастание числа волокон во флокуле в зависимости от градиента течения.

Процесс разрушения флокул или отрыва отдельных волокон характеризуется в виде следующей расчетной модели:

1. Взаимодействием двух противоположных сил: сил сцепления волокон между собою и внешних сил трения, прикладываемых в результате разности скоростей течения (градиента).

2. Отсоединяемое волокно уменьшает кинетическую энергии флокулы,

3. Большая масса (¡докупи практически не будет менять кинетическую энергию под действием касательных сия вследствие значительного момента инерции и малых сия трения.

4. Эффективность разрушения фло^яы при малых градиентах мало вероятна до тех пор, пока силы трения на досгип-сут и не станут больше сил сцепления волокон во флокуле.

В действительности с роста« градиента течения скорость разрушения флокул увеличивается, но до определенного предела. Поэтому считаем, что модель .разрушения флокулы описывается нелинейным дифференциальным уравнением вида:'

которое по общепринятой методике можно аппроксимировать в Ьида степенного многочлена

(б)'

а.п + йг яг +

ЛК

(7)

Сохраняя в уравнении (V) два первых члена, получили дифференциальное уравнение Еериулли:

= а* а + а».п.* , ¿¡С (В)

где Я - число, волокон, перешедших в суспензию из флокулы.

Воспользуется регаением уравнения (В), сделанным проф.II.И. Кутковым в виде ЭС-функции

по \-/\ехр [ 4 ■ ехр (-(3$-)]] . (9)

Число волокон, отсоединяемых от флпкул

п*г= п= а + е< е"р,> _ ^

Совместное решение уравнения (Ь) и (1ч) позволяет представить процессы одновременного воздействия образования и разру -шеНия флокул под действием градиентов течения.

Число волокон во флоиулах (рис.1)

Пф к Пцм - +

«п.. 11-е" ) - а + е ) + п^.. , (п) где П*- первоначальное число волокон во флокулах.

Третья глава посвящена результатам проведенных экспериментов по изучении явления флокуляции водно-волокнистых суспен -зий.

Эксперименты проводились на специально модернизированном вискозиметре "Реотест-2" (рчс.2) с фиксацией размеров флокул, концентрации массы, температуры, .степени'помола, величины касательных напряжений для четырех видов бумажной массы (суль -фктная, сульфатная Целлюлозы, древесная масса и ватман). От -дельно производились исследования .влияния омагниченной воды, имеющей пониженную вязкость.

По результатам экспериментов определены степень флокуляции (рис.3), среднее квадратичное уклонение размеров флокул; скорости роста (рис.4) и разрушения (рис.Б) флонул в зависимости от времени воздействия и градиентов скорости течения, с фикса-

Изменение числа волокон в суспензии в зависимости от градиента скорости

Л*. - первоначальное число волокон во флоиулах; п*, - изменений числа присоединяемых волокон к флокуле} изменение числа отсоединяемых волокон от флокулы| П^а- число волокон во флокулах.

Рис. I

цией величины касательных напряжений.

Высказана гипотеза о связи меящу явлениями изменений аномальной вязкости водно-волокнистой суспензии в зависимости о» градиентов течения и происходящих процессов роста флбйуЯ й их разрушения в потоке. Эта гипотеза подтверждается следующими результатами опытов:

1. Определена величина степени флокуЛяЦйи бумажной Массы в зависимости от градиентов течения. Установлено, стёйейб флОкуляции в функции градиентов течения сиМбатна график изменения касательных напряжений в.функции Градиентов течения»Наибольшая величина касательных напряжений в бумажной кассе соответствует максицуцу степени фйокуляции.

2. Изменение размеров флокул в Потоке суспензии зависит от времени ведержки при постоянном градиенте течения, что обЪяс -Ияется разностью скоростей движения флокулн и омывающего ее потока суспензии. Поэтому степень неоднородности флочул меняется во времени. По мере выдержки во времени флокулы приобретают более одинаковйе размеры, то есть степень неоднородности сни -

Схема экспериментальной установки

Í - йыпрямитель электрического тока; 2 - двигатель постоянного *ока} 3 - приборная доска для измерения крутящего момента и снорооти вращения; Л,i - осветитель, 200 Вт; 5 - фотоаппарат "ЗеНи«"-19; 6 - кинокамера "Кварц"; В,13 - внутренний вращающийся цйлиндр; 9 - матовый фильтр; 10 - матовая лампа мощ -йостью 60 Вт; II - контактное кольцо; 12 - диспергирующие лопатки; 14 - исследуемая бумажная масса; 15 - неподвижный прозрачный стакан с окном 12x8 си. .

Рис.2

жается. Скорость роста примерно пропорциональна размерам фяпь кул.

3. Определены максимальные скорости роста флокул. Показано, что скорости роста зависят от концентрации омывающего потока и от вида материала.

4. Установлены скорости разрушения флЬкул при постоянном грддиенте течения. Показано, что скорости разрушения флокул по времени воздействия переменны и уменьшаются с изменением размеров флокул.

5. Обработка суспецзии в магнитйом пола постоянного на -пряжения позволяет снизить вязкость входящей в состав суепек-эин воды. Поэтому,применение менее вязкой воды снижает величину касательных напряжений 8 суспензии .и флокулах, что влияет >на размер образующихся флокул в меныцую сторону»

Степень флокуляции и касательное напряжение в зависимости о$ Градиентов скорости течения

.(Б СИ, 0.555 20°ЫР; 13°С)

I - степень флокуляции; 2 - касательное напряжение; 3 - количество точвк по яркости

Скорости роста флокул

V- нн/с

Рис.4

Б СФИ 8Q°UIP, I3°C ; I - j 2 - 0,5$ ; 3 - 0,6%. Скорости разрушения флокул

Рис. 5 •

I - ДМ. 6б°ШР, 0,5% ; 2 - Б С$И 20°1Ш?, 0,5$; 3 - НБ CM 1В~ШР, 0,Ь% (13°С>

Подтверждена гипотеза Л.Эйнштейна о возможности ее применения для описания величины приведенной динамической вязкости й зависимости от числа и удельного объема флокул.

Четвертая глава содержит рекомендации по практическому Применению результатов исследований для тихохоДныХ машиН КНДР.

Анализ конструктивного оформления диспергирующих элементов в напорном ящике тихоходных машин позволяет сделать следующие выводы:

разрушающее воздействие диспергирующих элементов тйоэффак-тивно; время пребывания бумажной массы в каналах диспергирующих плит и малых скоростях течения суспензии в Перфорирован««* feártH-ках не оказывает существенного воздействия На Процесс р&9£уй&нйя флокул; степень флокуляции изменяется НеэНачи»ёльйО| ШЬЭ врйия пребывания бумажной массы в емкостях найорНого йщйка существенно не влияет на скорость роста флокул.

Диспергирующее воздействие ИассноГо насоса, по-видйМйМу.так кс незначительно. Поэтому степень диспергацим в Прймеййймом оборудовании не велика.

Следовательно, необходимо в система подачи Maecit на манту применять эффективные диспергирующие уст&Нойки( йклшаёшй hS^efl напорным ящиком. Диспергация в этих установках ДолжЙЙ ЙрВЙЭВЙ -дить разрушение флокул до размера не более, Чем 0.5 Мм. É кА -честве такого диспергирующего элемента, по надэму мНеНйК^МоЖэт быть использована конструкция роторно-статбрного ánnapátáj

Рационально производить магнитную обработку бумажной Маеей перед подачей ее в напорный ящик* .Магнитная обработка суеЙбНЭИй задерживает рост флокул первые 7 секунд< что досЗгатоУнЬ ДЛЯ прохода бумаждзП массы через напорный ЯЩИК.

0СН0ВШ2 РЕЗУЛЬТАТА РАБОТЫ

1. Визуальные наблодеййя и киносъемка движения йодно-йолок-нистой суспензии в модернизированном вискоэйМ9*рё "Pédtfecí-S" позволили видеть процесс pocTá флокул за Счёт присоединяемы* волокон и их мелких скоплений, а также процесс йх раЗрутЫНия в зависимости от градиентов течения.

2. Процесс роста и разрушения флокулы в двйчущаЙея суспензии происходив одновременно, но с раЭНМми Скоростями. -Прй малых градиентах превалирует процесс poeta флокулы, при больших грйдйан-тах - разрушений флокулы.

3. На основании фиксации сосгйяНия суспензий определена cíe-

пень флокуляции в зависимости от градиента течения путем светопроницаемости фотографий суспензии.

4. По измеренным размерам флокулы определены максимальные скорости ррста и разрушения флокулы, показывающие что наиболь -шая флокуляция наблюдается у сеспензии сульфатной целлюлозы, наименьшая - у древесной массы, сульфитная целлюлоза занимает Проиевдточное значение.

5. Снижение вязкости воды в суспензии цутем магнитной ее обработки уменьшает размеры флокулы и скорость их роста.

6. Аномальное повышение касательного напряжения в суспензии при малых градиентах скорости непосредственно связано с ростом флокулы, которые в потоке жидкости создают дополнительное сопротивление движению.

7. Сравнение времени пребывания водно-волокнистой суспензии со скоростями роста и разрушения флокул показывает малую эффективность диспергирующих элементов в напорном ящике, что не обеспечивает нужное качество бумажного полотна. Поэтому рёкомен -дуется применение специальных диспергаторов, устанавливаемых перед подачей массы в напорный ящик с одновременной магнитной обработкой.

Основные положения диссертации изложены в следующих

1. Ли Вон. Исследование размеров флокул бумажной массы в зависимости от градиентов скорости. - Л., 1991, - Ь с. - Деп. в ВНИПИЭИлеспром 20,05.91, к 2757 - ЛБ 91.

2. Ли Вон. Исследование скорости хлопьеобраэования волокнистой суспензии. - Л., 1991. 9 с. Деп. в ВНИПИЭИлеспром 10.09.91, № 2786 - ЛБ 91.

3. Ли Вон, Кугушев И.Д. Исследование закономерности хлопьеобраэования волокнистых суспензий // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Ыеквуз. сб. науч. тр. / ЛТА. - Л.,

работах:

1991. - С.3-7