автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Совершенствование перемешивающего оборудования для получения санитарно-гигиенических изделий

На правах рукописи

ИВАНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 ( МАР 2014

005546358

Красноярск - 2014

005546358

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре «Технологии конструкционных материалов и машиностроения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Руденко Анатолий Павлович

Официальные оппоненты:

Александров Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», кафедра «Машины автоматизированных систем», профессор

Челышева Ирина Николаевна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», кафедра «Воспроизводство и переработка лесных ресурсов», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Защита диссертации состоится «16» мая 2014 года в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 2Д 2.253.01 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц-110 (зал заседаний).

Отзывы на автореферат с заверенной подписью просим направлять в двух экземплярах ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82, СибГТУ. E-mail: dissovetsibgtu01@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан «/?» марта 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Исаева Елена Владимировна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Производство санитарно-гигиенических изделий (СГИ) одни из наиболее успешных отраслей мировой целлюлозно-бумажной промышленности, отличающаяся стабильной динамикой развития и высокими показателями производственной рентабельности. Более того, эта отрасль всегда была очень привлекательна для крупных международных инвесторов.

По данным на 2008 год, объем потребления санитарно-гигиенических изделий в России составил около 320 тыс. тонн, что составляет около 2,3 кг/чел., уровень потребления в странах Западной Европы не менее 12 кг/чел., а в США - более 24 кг/чел.' в год. Общий выпуск санитарно-гигиенических изделий в мире в 2011 году составил около 32,7 миллионов тонн. По прогнозам отраслевых экспертов, этот показатель - по итогам 2013 года - составит порядка от 32,9 до 33,5 миллионов тонн.

Одновременно с ростом объемов производства санитарно-гигиенических изделий стремительно увеличивается конкуренция на международных и региональных рынках, что, в свою очередь, заставляет производителей СГИ все больше внимания уделять вопросам качества выпускаемой продукции, а также сокращению производственных и иных издержек (в настоящее время удельные затраты электроэнергии составляют до 0,8 кВт/м3).

Одним из путей решения поставленных вопросов является внесение изменений в технологический процесс производства СГИ, предусматривающий наряду с другими совершенствование операции перемешивания волокнистых суспензий при подготовке композиции бумажной массы.

В настоящий момент применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности перемешивающие аппараты характеризуются несоответствием конструктивного исполнения аппарата и выполняемого процесса перемешивания, что приводит к появлению слабо перемешиваемых застойных зон в проточной полости аппарата и неустойчивости протекания самого процесса. По этой причине такие аппараты характеризуются относительно невысокой удельной производительностью процессов перемешивания и низким качеством получаемого целевого продукта. В них не удается достичь равномерного распределения подводимой энергии, что приводит к повышенным энергозатратам при эксплуатации и, следовательно, к повышению себестоимости продукции.

Возникновение данной проблемы, по сути, объясняется, в первую очередь, отсутствием аналитических зависимостей, позволяющих достаточно достоверно производить расчеты шлей скоростей и давлений в проточной полости перемешивающих устройств. Поиск более эффективных решений в этой ситуации эмпирического характера привел к появлению неоправданно большого разнообразия малоэффективных перемешивающих аппаратов, отличающихся как конструктивно, так и по принципу работы. Поэтому актуальным направлением научно-технических исследований является разработка принципиально новых конструкций перемешивающих аппаратов и методов их инженерного расчета, позволяющих существенно снизить энергозатраты при получении СГИ.

Наличие данного обстоятельства порождает возможность использования корпусного аппарата с профилированными элементами корпуса в целлюлозно-бумажной

промьшшенности доя конструктивного исполнения перемешивающих аппаратов и емкостей различного функционального назначения (метальные бассейны, смесители, хлораторы и т.д.). Это обеспечит как сравнительно оптимальное перемешивание (характеризующееся минимизацией, как количества, так и объема застойных зон) бумажной массы, химических компонентов путем поддержания волокон и ингредиентов во взвешенном состоянии для обеспечения выравнивания концентрации массы и придания однородной композиции во всем объеме перемешивающего аппарата, так и возможность более интенсивного смешивания волокнистых компонентов между собой и с химикатами, что позволит снизить удельные затраты электроэнергии.

Цель работы. Разработка перемешивающего оборудования с профилированными элементами корпуса, обеспечивающего снижение энергопотребления при получении санитарно-гигиенических изделий.

Задачи исследования:

1 Выполнить теоретические исследования посредством численного моделирования движения потоков жидкости в проточной полости цилиндрических корпусных перемешивающих аппаратов с использованием роторов геликоидального типа.

2 Разработать методику построения профилей корпусных элементов аппаратов с роторами геликоидального типа, обеспечивающих минимизацию энергопотребления при проведении процессов перемешивания.

3 Выполнить экспериментальные исследования по определению гидродинамических характеристик аппарата профилированной формы.

4 Оценить степень снижения потребления электроэнергии при работе аппарата

профилированной формы.

5 Определить оптимальные режимы работы аппарата профилированной формы в условиях подготовки композиции бумажной массы для получения санитарно-гигиенических изделий.

6 Выполнить оценку экономической эффективности использования аппаратов профилированной формы с ротором геликоидального типа.

Объект исследования - перемешивающее оборудование предприятий ЦБП.

Предмет исследования - гидродинамика движения потоков жидкости в проточной полости перемешивающего оборудования.

Методы исследования. Использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, основанные на современных способах измерения гидродинамических характеристик движения штоков жидкости внутри перемешивающих аппаратов.

При обработке экспериментальных результатов применялись как аналитические, так и численные методы (методы физического и математического моделирования, математической статистики).

Обработка данных проводилась с использованием ЭВМ. В работе применялись: табличный процессор «Microsoft Excel», программа статистической обработки данных STATGRAPHICS Plus 5.1, программа компьютерного моделирования «Solid Works» с приложением Flow Simulation.

Основные положения, выносимые на защиту. В рамках специальности 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 17 - Оборудование, машины, аппараты и системы автоматизации химической технологии биомассы дерева) на защиту выносятся:

- теоретические исследования по получению эпюр скоростей с целью определения характера движения жидкости в емкостном аппарате принципиально новой конструкции с ротором геликоидального типа;

- эмпирические зависимости для расчета гидродинамики движения потоков жидкости, физико-механических и гидрофильных свойств санитарно- гигиенической бумаги;

- установленные закономерности влияния технологических режимов работы аппарата профилированной формы на физико-механические и гидрофильные свойства санитарно-гигиенической бумаги;

- теоретические основы проектирования построения конструкции принципиально нового емкостного аппарата;

- методика инженерного расчета нового корпуса аппарата для перемешивания волокнистых суспензий.

Научная новизна работы:

- разработаны теоретические основы построения профилированных корпусов емкостных аппаратов для повышения интенсивности и эффективности процесса перемешивания в ЦБП;

- впервые проведено исследование гидродинамики в проточной полости аппарата профилированной формы посредством компьютерного моделирования;

- установлено, что применение аппарата профилированной формы с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой приводит к росту осевой составляющей абсолютной скорости до 35 % по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции;

- достигнуто снижение потребления электроэнергии до 40 % в аппарате профилированной формы с РГТ-270 и верхним направляющим аппаратом при подготовке композиции бумажной массы по сравнению перемешивающими аппаратами, применяемыми в ЦБП.

Практическая значимость работы

Разработана принципиально новая конструкция профилированного емкостного аппарата, позволяющая снизить удельные энергозатраты при сохранении требуемых свойств санитарно-гигиенической бумаги в процессе подготовки композиции бумажной массы.

Создана инженерная методика расчета основных параметров принципиально нового емкостного аппарата для получения композиции бумажной массы.

Определены оптимальные технологические параметры работы перемешивающих аппаратов профилированной формы, обеспечивающие экономное перемешивание волокнистой суспензии.

Даны рекомендации по применению аппарата с профилированными элементами корпуса и ротором геликоидального типа для производства санитарно-гигиенических изделий.

Новизна технического решения подтверждена получением положительного решения о выдаче патента на изобретение.

Апробация работы.

Основные результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Наука и современность» (Новосибирск, 2011); всероссийских научно - практических конференциях: «Молодые ученые в решении аюуаль-

ных проблем науки» (Красноярск, 2010, 2011), «Лесной и химический комплексы -проблемы и решения» (Красноярск, 2011,2012 гг.).

Работа выполнялась по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации, финансируемому из средств федерального бюджета № 01201267254 (по теме «Теоретические основы процессов переработки растительного сырья в технологических машинах и аппаратах»).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (из них автора 1,68 п.л.), в том числе 3 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований. Объем работы составляет 156 страниц машинописного текста, включая 62 иллюстрации и 39 таблиц.

Содержание работы

Во введении показана актуальность работы по снижению энергопотребления оборудования для производства санитарно-гигиенических видов бумаги.

В литературном обзоре показана тенденция развития рынка и технология производства санитарно-гигиенических видов бумаги. Проведена оценка теоретических и экспериментальных исследований в области перемешивания жидких сред. Выполнен анализ влияния основных элементов конструкций аппаратов на процесс перемешивания. Показаны особенности перемешивания волокнистой суспензии в массном бассейне.

Анализ литературных источников позволил сформулировать цель и основные задачи исследования.

В теоретической части проведено изучение гидродинамики движения потоков жидкости в перемешивающих аппаратах различной конструкции с ротором геликоидального типа с применением современных методов исследования, основанных на компьютерном моделировании.

Исследование гидродинамики процесса перемешивания в аппарате цилиндрической конструкции на компьютерной модели осуществлялось с использованием программы Solid Works с приложением Flow Simulation.

Теоретические исследования в программе Solid Works показали, что аппарат с цилиндрическим корпусом (рисунок 1), как и предполагалось, позволяет исключить эффект образования центральной воронки благодаря вертикальным отражательным планкам, но при этом они создают большие гидравлические потери при движении жидкости, что отрицательно сказывается на качестве перемешивания, увеличивая при этом энергопотребление.

Кроме того, в рабочей полости аппарата были обнаружены застойные зоны динамического характера (рисунок 2), которые в отличие от зон статического типа располагаются не в пристенной зоне, а во внутренней полости, что усложняет возможность снижения их отрицательного эффекта. Наличие динамических застойных зон указывает на то, что ротор геликоидального типа при установке в аппарат цилиндрической конструкции не в полной мере справляется с задачей по управлению потоками рабочей жидкости.

I

1 - цилиндрический корпус; 2 - отражательная планка; 3 - ротор геликоидального типа

Рисунок 1 - Аппарат цилиндрической конструкции с ротором геликоидального типа и вертикальными отражательными планками

а) 100 об/мин; б) 200 об/мин; в) 300 об/мин; г) 400 об/мин; д) 500 об/мин Рисунок 2 - Полученные траектории движения жидкости в рабочей полости аппарата цилиндрической конструкции

Поэтому возникает необходимость коррекции при конструировании корпуса цилиндрического аппарата таким образом, чтобы поток, сходя с ротора, двигался по кратчайшему замкнутому контуру снизу вверх и затем сверху вниз, попадая снова в ротор. При этом траектория движения потока все время должна быть ограничена корпусными элементами аппарата для предотвращения возникновения свободного движения и, таким образом, изолирована от соприкосновения с внешней окружающей средой со всех сторон. В этом случае, поток во всех его составляющих элементах должен быть заключен во внутренней полости аппарата в полном объеме и находиться постоянно под контролем, для того чтобы можно было бы прогнозировать и управлять его движением. Выполнение такого гидродинамического условия является решением проведения управляемого процесса перемешивания суспензии, позволяющего аппарату рационально потреблять электроэнергию.

С целью минимизации динамических застойных зон был разработан перемешивающий аппарат принципиально новой конструкции с профилированными элементами корпуса (рисунок 3).

Построение корпуса осуществлялось по полученным в результате моделирования эпюрам осевых скоростей, построенным дня нескольких сечений по высоте аппарата (рисунок 4). При рассмотрении эгаор наблюдаются экстремумы кривых, указывающие на максимальную скорость потока, т.е. поток вдоль траектории своего движения встречается с наименьшим сопротивлением. Уменьшение сопротивления при движении жидкости позволяет максимально повысить интенсивность циркуляции, степень перемешивания, что, в свою очередь, приведет

1 - профилированный корпус;

2 - отражательная планка;

3 - ротор геликоидального типа

Рисунок 3 - Аппарат профилированного корпуса с ротором геликоидального типа

Динамические застойные зоны

0 л

О 0Л2 0А4 0Д)6 Ода 0,1 0^2

Радиус, и

1 - 1; 2 - 2; 3- 3; 4 - 4; 5 - 5; 6~ 6-сечения по высоте аппарата Рисунок 4 - График осевой скорости движения жидкости в зависимости от радиуса аппарата при частоте вращения перемешивающего органа п=100 об/мин

О 0Я2 ПЛ1 ОДС ПИ" О.! 0.12

Радиус, м

/ - 1; 2 - 2; 3- 3; 4-4; 5-5; 6-6-сечения по высоте аппарата Рисунок 5 - Схема построения изолинии по максимумам полученных кривых эпюр осевых скоростей

к снижению влияния динамических застойных зон, уменьшению удельных энергозатрат и повышению производительности в процессе эксплуатации аппарата.

Рассматривая графики с осевыми скоростями, необходимо отметить, что максимумы кривых располагаются в определенной последовательности. При соединении максимумов линией получаем определенную кривую, которая представляет собой изолинию, вдоль которой поток жидкости обладает наибольшей осевой скоростью при движении в рабочей полости аппарата снизу вверх. В первом приближении изолиния может быть представлена кривой, описанной радиусом равным диаметру аппарата (рисунок 5).

Основываясь на данном предположении, было выполнено построение модели корпуса принципиально нового перемешивающего аппарата следующим образом. Боковая поверхность аппарата выполняется в первом приближении по дуге радиусом Кдуги = Да,- Выполнив профилирование боковой поверхности аппарата, производится геометрическое построение перехода от боковой поверхности аппарата к его донной и верхней частям. Данные три элемента должны быть сопрягаемы по поверхности, обеспечивающей безотрывное движение потока рабочей жидкости от перемешивающего органа до входа в отражательные планки и от отражательных планок снова в перемешивающий орган.

Безотрывное движение потока рабочей жидкости происходит при углах атаки близких к 15° для волокнистых суспензий. Основываясь на этом, было выполнено построение линий сопряжения в нижней и верхней части аппарата цилиндрической конструкции, которая представляет собой совокупность точек приложения векторов абсолютной скорости (рисунок 6 а, б).

Для выполнения построения в аппарате цилиндрической конструкции в его нижней части откладывается п, количество сечений, которые строятся от уровня дна аппарата на равном удалении друг от друга. Далее рассчитываются значения векторов аб-

¡L

б)

Рисунок 6 - Построение линии сопряжения в нижней (а) и верхней (б) частях аппарата

солютной скорости по аналитическим выражениям, полученных с применением программы БоНс^ог!«. Предполагая, что поток сходит с ротора параллельно днищу аппарата, первый вектор скорости откладывается горизонтально. Каждый последующий вектор строится от предыдущего с изменением направления угла атаки на величину максимального его значения равного 15° для волокнистых суспензий, что способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей.

В результате таких построений наиболее оптимальным вариантом выполнения данных сопряжений является в первом приближении фрагмент параболы вида х2=2Ру, в достаточной степени удачно заканчивающей конструктивное исполнение нижней и верхней части аппарата.

При компьютерном исследовании разработанного аппарата были получены траектории движения потока жидкости (рисунок 7) и аналитические выражения (1) - (4), позволяющие выполнять построение эпюр скоростей всех составляющих абсолютной скорости для любого рассматриваемого сечения в проточной полости аппарата.

Анализируя траекторию движения жидкости, необходимо сделать следующие выводы: в рабочей полости профилированного корпуса в основном преобладают осевые скорости даже при малых частотах вращения ротора, а также происходит минимизация объема застойных зон динамического характера. Но при

а) 100 об/мин: 6) 200 об/мин; в) 300 об/мин; г) 400 об/мин; д) 500 об/мин Рисунок 7 - Траектория движения жидкости в рабочей полости профилированного аппарата

этом в верхней части проточной полости аппарата с увеличением частоты вращения перемешивающего органа наблюдается смещение траектории движения от оси ротора к периферии при течении потока жидкости сверху вниз. Такое смещение приводит к увеличению пути движения потока и снижению степени циркуляции, что в свою очередь отрицательно сказывается на интенсификации самого процесса перемешивании, повышении энергопотребления.

С целью компенсации этого влияния и корректировки движения потока при проведении последующих экспериментальных исследований была разработана и реализована установка в верхней части проточной полости аппарата профилированной формы в виде вставки направляющего устройства (рисунок 9).

иабс= 1,843 + 0,0027n-62,257R-11,797Н- 3,7• 10V -

- 0,0092nH + 397,665R2 + 248,319RH, (1)

u0Kp= 1,79 +0,003n - 62,087R - 11,533 Н - 4,2 • 10"5п2-

- 0,0098пН + 394,68R2 + 245,28RH, (2)

Upaa = -0,0174 + 0,00011n + 0,207R + 0,191H-3,931 • 10V-

- 0,0017nR- 0,00024nH + 0,619R2 - 3,079RH- 0.587H2, (3)

^осев = 0,093 - 5,354R- 2,323 • 10'7n2 + 0,0035nR-0,00092nH +

+ 42,602R2+ 16,815RH-2,807H2, (4)

где n - частота вращения ротора, об/мин;

R - радиус рассматриваемого сечения в аппарате, м; //- высота рассматриваемого сечения в аппарате, м.

Из построения эпюр скоростей следует, что абсолютная скорость потока в аппарате с профилированным корпусом по сравнению с аппаратом с цилиндрическим корпусом имеет тенденцию к увеличению. При этом наиболее высокий прирост в скорости наблюдается при частоте вращения п=100 об/мин и составляет около 20%. Прирост осевой составляющей абсолютной скорости составил до 55 %(при п= 400 об/мин).

На основании полученных результатов необходимо отметить, что аппарат с профилированным корпусом, как и предполагалось, позволяет максимально увеличить степень циркуляции рабочей жидкости в проточной полости,за счет увеличения осевой составляющей абсолютной скорости (от 15 до 55 %)даже при малых числах частоты вращения перемешивающего органа по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции. Увеличение степени циркуляции приводит к более равномерному распределению концентрации волокнистой суспензии по всему объему аппарата и, как следствие, снижению удельных затрат электроэнергии с сохранением качества перемешивания рабочей жидкости. При этом в рабочей полости аппарата сводится к минимуму образование застойных зон, что положительно отражается на коэффициенте полезного действия и работе аппарата в целом.

Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы.Дпя построения физической модели движения жидкости перемешивающий аппарат рассматривался как гидромашина, обеспечивающая замкнутую циркуляцию. Кроме того, на основании теоретических исследований компьютерной модели, в верхней части корпуса установлено устройство в виде направляющей вставки (рисунок 8).

Предполагая наличие жидкостной стенки 1, движущийся поток разбивается на пять участков, образующих замкнутый контур циркуляции: ротор —> нижняя вставка в виде параболоида —► дугообразный корпус —> верхняя вставка в виде параболоида —►

Рисунок 8 - Траектория циркуляции жидкости в проточной полости аппарата с профилированными элементами корпуса

направляющая вставка—>ротор. Поток жидкости, сходя с ротора, поступает во внутреннюю полость аппарата под углом атаки равной практически нескольким градусам, что не оказывает отрицательного воздействия на безотрывное движение потока снизу вверх и способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей. В верхней части аппарата при движении потока сверху вниз происходит корректировка движущегося потока с помощью направляющей вставки, позволяющего сориентировать поток и направить его прямо на входные кромки лопастей ротора геликоидального типа.

Такое движение позволяет снизить гвдропоте-ри, которые возникают по траектории движения потоков жидкости в проточной полости емкостного аппарата и интенсифицировать кратность циркуляции рабочей жидкости, в результате чего имеет место гомогенизация рабочей жидкости и снижение потребление электроэнергии на осуществление процесса перемешивания.

В методической части приведены характеристики и принцип работы лабораторных установок, представлены методики реализации исследований по изучению влияния конструктивных и технологических параметров принципиально нового емкостного аппарата профилированного корпуса с ротором геликоидального типа на гидродинамику потоков жидкости и качество санитарно-гигиенической бумаги. Изучение процессов гидродинамики осуществлялось с применением измерительно-вычислительного комплекса (ИВК). Качество санитарно-гигиенической бумаги определялось изучением физико-механических (разрушающего усилия Р, Н) и гидрофильных (капиллярная впитываемость В, мм) свойств СГИ.

Определение физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги проводилось на образцах бумажных отливок, полученных после перемешивания композиции бумажной массы в аппарате профилированной формы. Состав бумажной композиции соответствует технологическому режиму, применяемому для производства санитарно-гигиенической бумаги-основы на Сясьском ЦБК (ТУ 5437-02943508418-2011 «Бумага-основа для изделий бытового и санитарно-гигиенического назначения»). Бумажная масса состоит из 60 % хвойной беленой сульфитной целлюлозы (степень помола 25° ШР), 40 % лиственной беленой сульфатной целлюлозы (степень помола 27° ШР). Масса полученных отливок составляла (17± 1)гна 1 м2.

Выполнено планирование экспериментов. С целью осуществления поставленных задач применялся активный многоуровневый симметричный план по типу З1, а также планы Бокса и Бокса-Бенкена.

В экспериментальной части приведены результаты экспериментальных исследований. Дан сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов посредством ИВК показали, что применение перемешива-

ющего аппарата профилированного корпуса привело к увеличению абсолютной скорости движения потока жидкости и минимизации возникновения застойных зон, в том числе вихревой жидкостной стенки между ротором и корпусом аппарата, по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции. Наиболее высокий прирост-абсолютной скорости наблюдается при частоте вращения вала п-500 об/мин и составляет около 36 %.

Для улучшения гидродинамики движения потоков жидкости в верхней части аппарата была установлена направляющая вставка (рисунок 9). Конструкция направляющей вставки спроектирована таким образом, чтобы поток жидкости входил в него при углах атаки, не превышающих 20°. При таких углах атаки поток обладает безотрывным движением, что позволяет снизить появление вихреобразования в верхней проточной полости аппарата и направить поток сразу к перемешивающему органу. Это, в свою очередь, повышает степень циркуляции и интенсифицирует процесс приготовления гомогенной массы.

Исследования проводились при разных углах установки лопаток направляющего аппарата в горизонтальной плоскости (от 0° до 30° градусов).

По результатам эксперимента были получены аналитические зависимости аосо-лютной скорости движения потоков жидкости и ее составляющих (5) - (8) и построены эпюры скоростей (рисунки 10 - 12).

1 - основание 2 - направляющая планка

Рисунок 9 - Общий вид направляющей вставки

иа6с = 0,622 + 0,0014п +5,09511 + 2,459Н + 1, -0,0025п1ёа-43,0571Ш

а+1,8 9,566Н1ёа,

Ю^п2

(5)

^окр

= 0,395+ 0,0052п-4,4

10"6!!2

-0.016пН + 38,68311Н -

-10,15211 ^ а-3,9151^ а,

(6)

г> =-0 172-2 191Н-4,295 • 10-7п2-0,0068пК + 0,041 пН +

V 0,00033л а + 24,467КН + 1,113Н а, (7)

г>осев = -0,264+13,616К + 4,531Н+1,8б18а+1,7- 10-6п2 + 0,013пН-

-0,003бтёа-117,3071Ш-8,791Н^а, (8)

где tga - угол поворота планки в направляющем аппарате.

Анализ полученных результатов показал, что при наличии направляющей вставки в верхней части аппарата происходит значительное снижение окружной составляющей абсолютной скорости (до 25 % при а = 30°) и рост осевой составляющей (до 35 % при а = 0°). При этом распределение осевых скоростей в верхних рассматриваемых сечениях происходит равномерно (сечения 3 - 4, рисунки 10 -12). Также определено что с увеличением угла установки лопаток в направляющей вставке вертикаль-

-<

а) л = 100 об/мин; б) п = 300 об/мин; в) п = 500 об/мин. 1, 2, 3, 4 -рассматриваемые сечения в аппарате. Зеленое поле - осевые скорости; красное поле - окружные скорости. Рисунок 10 - Схема эпюр скоростей в апгшрате профилированного сечения с направляющей вставкой. Угол установки лопаток в направляюгцей вставке а = 0°

а) п = 100 об/мин; б) я - 300 об/мин; в) п = 500 об/мин. 1, 2, 3, 4-рассматриваемые сечения в аппарате. Зеленое поле - осевые скорости; красное поле - окружные скорости. Рисунок 11 - Схема эпюр скоростей в аппарате профилированного сечения с направляющей

а)п = 100 об/мин; б)п= 300 об/мин; в)п= 500 об/мин. 1, 2,3,4- рассматриваемые сечения в аппарате. Зеленое поле - осевые скорости; красное поле - окружные скорости. Рисунок 12- Схема эпюр скоростей в аппарате профилированного сечения с направляющей вставкой. Угол установки лопаток в направляющей вставке а = 30°

ная составляющая абсолютной скорости снижается до 30 %, что свидетельствует о возникновении эффекта отрывноста потока жидкости.

Положительный эффект использования направляющей вставки наблюдается при п> 300 об/мин, т.к. при средних и больших значениях частоты вращения ротора влияние окружной составляющей абсолютной скорости на циркуляцию потока становится значимой. В этом случае имеет место достаточно эффективная трансформация окружной составляющей в осевую скорость с использованием направляющей встав-

ки.

2,5 2,0

и

5 1,5 £

= 1,0 0,5

/

/ * /

........2

- • 3

_ . _ 4

В целом, применение аппарата профилированной формы без направляющей вставки приводит к росту осевой скорости потока до 25 %, а с верхней направляющей вставкой до 35 % по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции.

На рисунке 13 представлена зависимость абсолютной скорости движения потока рабочей жидкости от различных конструкций исследуемых перемешивающих аппаратов. Как следует из графика, наибольшее значение абсолютной скорости имеет место при использовании аппарата профилированной формы с верхней направляющей вставкой с углом установки лопаток а = 0°, наименьшее - аппарата цилиндрической конструкции.

Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги проводились с определением разрушающего усилия Р и капиллярной впитываемое™ В бумажных отливок.

аппарата физико-механические свойства. При

дисперсионном анализе полученных результатов исследования построено аналитическое выражение разрушающего усилия (9) и графические зависимости (рисунок 14).

0 100200300400500600700 п, об/мин

1 - аппарат цилиндрической конструкции; 2 - профилированный корпус без направляющей вставки; 3,4,5 - с установкой планок в направляющей вставке под следующими углами: 3 -а = 0°; 4-а = 15°; 5-а = 30°.

Рисунок ¡3 - Зависимость абсолютной скорости от различной конструкции

Р = -0,0033 + 0,251 • с2 - 0,0009 ■ с • п +

+2,5 ■ 10"6 • т ■ п + 9,21-10"

(9)

где п - частота вращения перемешивающего устройства, об/мин;

с - концентрация волокнистой массы, %. При анализе графиков установлено, что на свойства бумажных отливок основное влияние оказывают технологические факторы (концентрация волокнистой суспензии, время перемешивания, частота вращения ротора). Так, достаточная механическая прочность бумаги (Р > 1,4 Н) обеспечивается в результате перемешивания композиции с низкой концентрацией массы (с = 0,1 %), начиная с частоты вращения ротора п > 400 об/мин. При этом, минимально необходимое время для перемешивания составляет около 20 мин.

Улучшение механической прочности бумаги объясняется тем, что начиная с 300 об/мин при перемешивании массы появляются турбулентные вихри, разрушаю-

Время перемешивания:а) т = 10 мин; б) г = 20 мин; в) г = 30 мин. Точки 1,2, 3- концентрация композиции волокнистой массы; 1 -0.1 %; 2-0.3 %; 3-0.5%.

Рисунок 14 - Графическая зависимость величины разрушающего усилия бумажных отливок от технологических режимов работы аппарата профилированной формы

нять концентрацию композиции по всему объему аппарата и обеспечить однородность бумаги при отливе на сеточном столе.

Гидрофильные свойства.В ходе обработки полученных результатов исследования построено аналитическое выражение (10) и графические зависимости (рисунок 15).

В = 3,677 - 0,045 • с ■ п + 0,0006 • т • я + 0,00009 • п2 (10)

а) б) в)

Время перемешиваниям) т - 10 мин; б) т = 20 мин; в) т = 30 мин. Точки I. 2, 3 - концентрация композиции волокнистой массы: 1-0.1 %; 2 - 0.3 %; 3 - 0,5 %.

Рисунок 15 - Графическая зависимость величины капиллярной впитываемости бумажных отливок от технологических режимов работы аппарата профилированной формы

Анализ графиков показал, что капиллярная впитываемость бумаги заметно улучшается при перемешивании композиции низкой концентрации с=0,1 % и п> 300 об/мин. При этом требуемые показатели капиллярной впитываемости (В > 20 мм) достигаются при времени перемешивании массыт > 10 мин и частоте вращения ротора п = 480 об/мин (рисунок 15, а).

Наиболее быстрое достижение требуемой впитываемости наблюдается у волокнистой массы концентрацией с = 0,1 %, времени перемешивания т = 30 мин и частоте вращения ротора п = 360 об/мин. Это связано с тем, что при низкой концентрации массы волокна сульфитной хвойной и сульфатной листвен-

ной целлюлозы более равномерно распределяются между собой и по всему рабочему объему аппарата. Таким образом, обеспечивается полное проявление свойств волокнистых полуфабрикатов: хвойная сульфитная целлюлоза увеличивает мягкость и впитывающую способность получаемой бумаги за счет низкого содержания гемицеллюлоз; сульфатная лиственная целлюлоза - приводит к увеличению механической прочности бумаги благодаря повышенной прочности стенок и наличию в лиственной целлюлозе пентозанов, а также придает бумажному полотну повышенную мягкость, пухлость и впитывающую способность.

Критерий мощности при работе аппарата профилированной формы. Основные результаты расчета критерия мощности Кф аппаратах различной конструкции представлены в таблице 1.

Из полученных данныхследует, что применение аппарата профилированной формы с установленным РГТ-270 и верхнего направляющего аппарата (угол направляющих планок а = 0°) позволяет снизить удельные затраты электроэнергии при работе аппарата.

Таблица 1 - Значения критерия мощности Кц в аппаратах различной конструкции_______

Наименование конструкции аппарата Критерий мощности Кц

Цилиндрический аппарат с турбинной мешалкой 8.4

Цилиндрический аппарат с РГТ-270 4,0

Аппарат с профилированной формы с РГТ-270 3.4

Аппарат профилированной формы с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой с углом установки направляющих планок 0° 3,1

На основании проведенных исследований и полученных результатов можно утверждать, что повышение эффективности и интенсивности перемешивания жидкости в разработанном аппарате профилированной формы достигается за счет большого диапазона настройки аппарата на требуемый технологический режим. Это в свою очередь ведет к максимальному увеличению степени циркуляции, обеспечивающей равномерное распределение концентрации жидкости различного композиционного состава по всему его объему проточной полости аппарата и снижению удельных затрат электроэнергии при сохранении требуемого качества получаемого продукта.

Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики движения рабочей жидкости в аппарате профилированной формы без направляющего аппарата на примере абсолютной скорости (рисунок 16) показало, что абсолютная скорость, определенная по программе БоНсМог!« и с помощью ИВК,незначительно отличаются друг от друга. Особенно это проявляется при большой частоте вращения ротора п> 300 об/мин, когда в аппарате наблюдается переходный режим течения жидкости, близкий к турбулентному режиму.

Данный факт, в первую очередь, связан с тем, что при моделировании в программе ВоНс^огкв задавался минимально допустимый уровень решения для расчета абсолютной скорости.

Синее поле -расчет с помощью программы Solid Works; зеленое поле - определение скорости с помощью ИВК.

Рисунок 16 ~ Сопоставление теоретически и практически определенной абсолютной скорости в аппарате профилированной формы

На основе полученных теоретических и практических результатов исследования можно утверждать, что использование программы Solid Works при исследовании гидродинамики в перемешивающих аппаратах, имеет большую практическую ценность, т.к. является современным методом исследования, позволяющим оценить гидродинамику движения потоков жидкости в рассматриваемом аппарате при минимальных затратах времени.

В практическом применении результатов исследования выполнен расчет по определению параметров диспергированного режима течения волокнистой массы в цилиндрическом перемешивающем аппарате с турбинной мешалкой и аппарате профилированной формы с установленным РГТ-270 и верхней направляющей вставкой с -углом установки направляющих планок 0°. По результатам расчета установлено, что применение аппарата профилированной формы совместно с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой позволяет снизить потребления энергии на 40 %.

Оптимизация технологических параметров работы предлагаемого перемешивающего аппарата выполнена с использованием программы STATGRAPHICS Plus 5.1 и предусматривает получение оптимальных условий проведения процесса перемешивания для достижения минимально допустимых значений по физико-механическим (Р = 1,4 Н) и гидрофильным (В = 20 мм) свойствам санитарно-гигиенической бумаги. Для разрушающего усилия оптимальный технологический режим составил: с = 0,1 %; т = 19,6 мин; п = 407,4 об/мин; для капиллярной впитываемосги: с = 0 1 %• т = 18,2 мин; п = 393,2 об/мин.

Исходя из полученных оптимальных значений технологических параметров работы аппарата профилированной формы, рекомендуется процесс перемешивания композиции бумажной массы, состоящей из 60 % хвойной беленой сульфитной целлюлозы и 40 % лиственной беленой сульфатной целлюлозы, проводить по оптимальному технологическому режиму, полученному для разрушающего усилия, т.к. для достижения требуемого разрушающего усилия процесс перемешивания должен проводиться дольше по времени перемешивания и большей частотой вращения ротора.

Представлена методика инженерного построения корпуса аппарата профилированной формы, позволяющая разрабатывать перемешивающие аппараты различного

функционального назначения (минимально в трех вариантах исполнения): бассейн хранения волокнистой массы, композиционный и массный бассейны.

Выполнен экономический расчет по модернизации оборудования для перемешивания композиции бумажной массы, для производства санигарно - гигиенической бумаги - основы. В качестве базового оборудования выбран вертикальный перемешивающий аппарат объемом 50 м3. Годовая производительность базового оборудования взята по данным Сясьского ЦБК.

Основные технико-экономические результаты расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели

Показатель Значение

Цилиндрический аппарат стур-бинной мешалкой Аппарат профилированной формы с РГТ

1 Годовая производительность оборудования, тыс. т/г 27,45 27,45

2 Списочный состав рабочих, чел.: 12 12

- основные 7 7

- вспомогательные 4 4

3 Сумма кагаттальпых затрат, тыс. руб. 2003,4 1151,8

4 Годовой фонд зарплата, тыс. руб. 2756 2756

5 Себестоимость обработай едшпшы продукции, тыс. руб. 240,4 227,8

6 Затраты на ремонт оборудования, тыс. руб. 1033,7 1049

7 Амортизационные отчисления, тыс. руб. 200,3 1151,8

8 Удельный расход электроэнергии, руб./г 25,08 15,3

9 Среднемесячная зарплата одного рабочего, тыс. руб. 19,1 19,1

10 Условно-годовая экономия, тыс. руб. - 345,9

11 Срок окупаемости капитальных затрат, лег - 3,3

Предлагаемый вариант перемешивающего оборудования обеспечивает снижение себестоимости производимой бумаги - основы, что дает условно-годовую экономию в размере 345,9 тыс. руб. Срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,3 года.

Выводы:

1 На основании компьютерного моделирования выполнены исследования гидродинамики движения потоков жидкости в аппарате цилиндрической конструкции с ротором геликоидального типа. В результате чего, в рабочей полости аппарата обнаружены застойные зоны динамического характера, оказывающие отрицательное влияние на качество перемешивания и увеличивающие энергопотребление при работе аппарата.

2 Разработаны теоретические положения о принципах профилирования корпусных элементов и методика построения профилей корпусных элементов емкостных аппаратов.

3 На основании экспериментальных исследований гидродинамических характеристик перемешивающих аппаратов различной конструкции установлено, что применение аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа и верхней направляющей вставкой (угол установки лопаток а = 0°) приводит к увеличению

осевой составляющей абсолютной скорости потока на 35 % по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции.

4 Установлено, что применение аппарата профилированной формы совместно с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой позволяет снизить потребления энергии на 40 % по сравнению с цилиндрическим аппаратом с турбинной мешалкой.

5 Определены оптимальные технологические режимы работы аппарата с профилированными элементами корпуса при подготовке композиции бумажной массы. Для разрывного усилия оптимальный технологический режим составил: с = 0,1 %; г = 19,6 мин; п = 407,4 об/мин; для капиллярной впитываемости: с = 0,1 %; т = 18,2 мин; « = 393,2 об/мин.

6 Разработана методика инженерного построения аппарата с профилированными элементами корпуса различного функционального назначения с ротором геликоидального типа.

7 Выполнена оценка экономической эффективности применения перемешивающего аппарата профилированной формы для подготовки композиции бумажной массы при производстве санитарно-гигиенической бумаги-основы. Предлагаемый вариант перемешивающего оборудования позволяет снизить себестоимость производимой бумаги-основы и обеспечивает условно-годовую экономию в размере 345,9 тыс. руб. Срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,3 года.

Основное содержание диссертации отраженно в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1 Иванов, Д. А. Создание многофункциональных емкостных аппаратов с использованием имитационного моделирования / Д. А. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Ру-денко // Химия растительного сырья. - 2011. - № 4. - С. 319 - 324, автора - 0,11 пл.

2 Иванов, Д. А. Об эффективности применения аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа в ЦБП / ДА. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Ру-денко // Химия растительного сырья. - 2013. - № 4. - С. 237 - 242, автора -0,1 п.л.

3 Определение эффективности и интенсивности работы ротора геликоидального типа с помощью гидродинамики / К.А. Иванов, Д.А. Иванов. А.П. Руденко, С.Н. Мартыновская // Химия растительного сырья. - 2013. - № 4. - С. 243 - 247, автора-0,08 пл.

Материалы конференций:

4 Иванов, Д. А. Профилирование основных элементов корпуса емкостного аппарата для обеспечения минимальных энергозатрат при эксплуатации / Д. А. Иванов, К. А. Иванов, А. П. Руденко // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2010. -Т. II. - С. 76 -78, автора - автора - 0,06 п.л.

5 Иванов, К. А. Построение пространственной геометрии ротора геликоидного типа / К. А. Иванов, Д. А. Иванов. А. П. Руденко // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2010. -Т. П. - С. 78 - 80, автора - 0,06 пл.

6 Иванов, Д. А. Об основных принципах построения конструктивных элементов емкостного аппарата профилированного сечения / Д. А. Иванов, К. А. Иванов, А. П. Руденко // Наука и современность - 2011: сб. материалов IX междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: НГТУ, 2011. - С. 29-32, автора - 0,12 п.л.

7 Иванов, К. А. Построение пространственной геометрии ротора геликоидного типа с различным функциональным назначением / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Наука и современность - 2011: сб. материалов IX междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: НГТУ, 2011. - С. - 32-35, автора - 0,09 пл.

8 Иванов, Д.А. Зондирование - как средство анализа работоспособности целлюлозно-бумажного и биохимического оборудования / ДА. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. все-рос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. I. - С. 230-233, автора -0,1 п. л.

9 Иванов, К.А. Способы измерения скоростей в потоках жидких сред и методика работы с шаровым зондом / К.А. Иванов, ДА. Иванов, А.П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. -Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. I. - С. 233-237, автора - 0,13 пл.

10 О методе совместного профилирования корпуса емкостного аппарата с перемешивающим органом / Д.А. Иванов. К.А. Иванов, Л.И. Земляков, А.П. Руденко // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. II. - С. 24-26, автора - 0,09 пл.

11 Моделирование гидродинамических процессов в проточных полостях реакторов емкостного типа / К.А. Иванов, ДА. Иванов, Л.И. Земляков, А.П. Руденко // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2011. - Т. П. - С. 26-30, автора - 0,13 пл.

12 Иванов, Д.А. Диагностика эффективности работы перемешивающих аппаратов с помощью измерительно-вычислительного комплекса / Д.А. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2012. - Т. II. - С. 46-50, автора -0,13 пл.

13 Иванов, ДА. Масштабирование аппаратов с профилированными элементами корпуса и с роторами геликоидального типа / Д.А. Иванов, К.А. Иванов, А.П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2012. - Т. П. - С. 50-52, автора - 0,06 пл.

14 Иванов, К. А. К вопросу об определении функциональной эффективности роторов геликоидального типа в аппаратах стандартной конструкции / К. А. Иванов, Д. А. Иванов, А. П. Руденко // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. -Красноярск: СибГТУ, 2012. - Т. II. - С. 52-56, автора-0,13 пл.

Патент:

15 Аппарат для перемешивания : заявка Рос. Федерации : МПК В 01 Б 7/16 / К.А. Иванов А.П., Д.А. Иванов, Руденко (Ш) ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ Сибирский государственный технологический университет.

№ 2012146961/05 ; 02.11.2012, автора-0,29 пл.

Подписано в печать 11.03.2014. Формат 60 х 84 1/16. Изд. № 9/7. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2024.

Редакционно-издателъский центр СибГТУ 660049, Красноярск, пр. Мира, 82

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201457350

ИВАНОВ ДМИТРИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Руденко А.П.

Красноярск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................4

Глава 1 Современное состояние производства санитарно-гигиенических видов бумаги................................................................................................................7

1.1 Тенденции развития рынка санитарно-гигиенических видов бумаги.....7

1.2 Технология производства бумаги санитарно-гигиенического назначения..........................................................................................................16

1.3 Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы....................................................................................................22

1.4 Основные теоретические и экспериментальные представления процесса перемешивания..................................................................................................28

1.5 Особенности перемешивания целлюлозы................................................35

1.6 Постановка задач исследования................................................................43

Глава 2 Теоретические исследования гидродинамики движения потоков жидкости в перемешивающих аппаратах..................................................................44

2.1 Исследование гидродинамики процесса перемешивания в аппарате цилиндрической конструкции посредством компьютерного моделирования...................................................................................................44

2.2 Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы......................................................61

Глава 3 Методическая часть проведения экспериментальных исследований.... 64

3.1 Методика исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов различной конструкции..............................................64

3.2 Методика исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги....................................................................72

3.3 Планирование экспериментальных исследований и математическая обработка полученных результатов....................................................................74

Глава 4 Экспериментальные исследования и анализ результатов...................79

4.1 Экспериментальные исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов посредством ИВК......................................79

4.2 Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги.............................................88

4.3 Определение критерия мощности при работе аппарата профилированной формы..........................................................................................................93

4.4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований...... 95

Глава 5 Практическое применение результатов исследований........................98

5.1 Определение диспергированного режима течения волокнистой массы в перемешивающем аппарате различной конструкции...................................98

5.2 Определение оптимальных технологических режимов работы перемешивающего аппарата с профилированными элементами корпуса............101

5.3 Методика инженерного расчета профилированного корпуса емкостного аппарата............................................................................................................103

5.4 Условно - экономический эффект работы аппарата профилированной

формы с ротором геликоидального типа......................................................107

Выводы по работе...........................................................................................110

Библиографический список...........................................................................112

Приложение А.................................................................................................123

Приложение Б..................................................................................................124

Приложение В..........................................................................................................127

Приложение Г..........................................................................................................128

Приложение Д..........................................................................................................131

Приложение Е..........................................................................................................132

Приложение Ж.........................................................................................................136

Приложение И.........................................................................................................140

Приложение К..........................................................................................................144

Приложение J1..........................................................................................................145

Приложение М.........................................................................................................146

Приложение Н.........................................................................................................147

Введение

Производство санитарно-гигиенических изделий - одна из наиболее успешных отраслей мировой целлюлозно-бумажной промышленности, отличающаяся стабильной динамикой развития и высокими показателями производственной рентабельности. Более того, эта отрасль всегда была очень привлекательна для крупных международных инвесторов.

Общий выпуск санитарно-гигиенических изделий в мире в 2011 году составил около 32,7 миллионов тонн. По прогнозам отраслевых экспертов, этот показатель - по итогам 2013 года - составит порядка от 32,9 до 33,5 миллионов тонн [1].

Одновременно с ростом объемов производства санитарно-гигиенических изделий стремительно увеличивается конкуренция на международных к региональных рынках, что, в свою очередь, заставляет производителей СГИ все больше внимания уделять вопросам качества выпускаемой продукции, а также сокращения производственных и иных издержек (в настоящее время

о

удельные затраты электроэнергии составляют до 0,8 кВт/м ).

Неотъемлемым этапом производства СГИ является перемешивание, включающее несколько отдельных процессов. На каждом этапе необходимо получить требуемые технологические результаты, расходуя как можно меньше электроэнергии. На первый взгляд, эта задача не выглядит сложной. Однако при более пристальном рассмотрении обнаруживается, что эффективное перемешивание требует сложных технологий и высокого уровня решения инженерных задач.

На целлюлозном предприятии существует множество процессов, которые требуют применения специальных аппаратов с мешалками. Самые распространенные из этих процессов - растворение химических ингредиентов, хранение массы с высокой и низкой концентрацией, перемешивание и гомогенизация. Для того чтобы гарантировать оптимальные технологические результаты при минимально затрачиваемой электроэнергии, важно:

а) Выбрать правильную интенсивность перемешивания. Очень слабое перемешивание приводит к неравномерной концентрации целлюлозной волокнистой суспензии, что может вызвать проблемы с качеством и привести к производственным потерям. Чрезмерно сильное перемешивание увеличивает расход электроэнергии без видимого улучшения результатов процесса.

б) Достаточно квалифицировано использовать предварительно собранную точную и полную информацию о параметрах целлюлозы и конструкции емкостного оборудования, так как именно они будут косвенно значительно влиять на потенциальный расход электроэнергии.

В настоящий момент применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности перемешивающие аппараты характеризуются несоответствием конструктивного исполнения аппарата и выполняемого процесса перемешивания, что приводит к появлению слабо перемешиваемых застойных зон в проточной полости аппарата и неустойчивости протекания самого процесса. По этой причине такие аппараты характеризуются относительно невысокой удельной производительностью процессов перемешивания и низким качеством получаемого целевого продукта. В них не удается достичь равномерного распределения подводимой энергии, что приводит к повышенным энергозатратам при работе, а, следовательно, и к повышенной себестоимости продукции [2].

Поэтому актуальным направлением научно-технических исследований является разработка принципиально новых конструкций перемешивающих аппаратов и методов их инженерного расчета, позволяющих существенно снизить энергозатраты при получении СГИ. При этом возникает необходимость именно в таком оборудовании, которое легко бы встраивалась в автоматизированные линии, и обеспечивало бы при этом автоматизированный контроль качества готовой продукции.

Наличие данного обстоятельства порождает возможность использования корпусного аппарата с профилированными элементами корпуса в целлюлозно-бумажной промышленности для конструктивного исполнения перемеши-

вающих аппаратов и емкостей различного функционального назначения (метальные бассейны, смесители, хлораторы и т.д.). Это обеспечит как сравнительно умеренное перемешивание (характеризующееся минимизацией, как количества, так и объема застойных зон) бумажной массы, химических компонентов путем поддержания волокон и ингредиентов во взвешенном состоянии для обеспечения выравнивания концентрации массы и придания однородной композиции во всем объеме перемешивающего аппарата, так и возможность более интенсивного смешивания волокнистых компонентов и необходимых химических ингредиентов.

Оригинальное профилирование корпусных элементов перемешивающих аппаратов, как в целлюлозно-бумажной, так и в других отраслях промышленности (химической, пищевой, фармацевтической, парфюмерной и др.) позволит снизить образование застойных зон не только статического, но и динамического характера, и как закономерный результат в итоге получение высококачественной продукции с минимальными энергозатратами.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ВИДОВ БУМАГИ

1.1 Тенденции развития рынка санитарно-гигиенических видов бумаги

На ведущих мировых рынках санитарно-гигиенических изделий выделяют следующие основные сегменты и разделы:

1 Ролевые СГИ:

- бумага туалетная;

- ролевые и бумажные полотенца;

- ролевые СГИ медицинского назначения.

2 Неролевые СГИ:

- складные бумажные полотенца;

- бумажные салфетки общего назначения;

- бумажные салфетки специального назначения (для нужд протирания зеркал, мониторов компьютеров, для нужд «автокосметики», гигиенические, со специальным запахом и т.д.);

- бумажные скатерти;

- одноразовые носовые платки;

- неролевые СГИ медицинского назначения [1].

Как видно из показателей, представленных в таблице 1.1, в 2011-2012 гг. рост потребления СГИ (по сравнению с 2010 г.), замедлился практически во всех регионах мира. Данная ситуация указывает на то, что конкуренция на региональных рынках стремительно растет, заставляя производителей СГИ все больше внимания уделять вопросам качества выпускаемой продукции, поиска путей сокращения производственных и иных издержек, а также подталкивает производителей к дальнейшему расширению ассортимента. По мнению специалистов, именно широкомасштабное предложение новинок на рынках позволит отрасли и в дальнейшем развиваться динамично и успешно [3,4].

Таблица 1.1- Рост потребления СГИ на региональных мировых рынках, %

Показатели 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011г. 2012 г.

Потребление, США, Канада 2,5 1,5 1,0 1,5 0,9 0,6

Потребление, Ю-В Азия и Ближний восток 11,1 4,8 5,0 7,2 4,2 4,4

Потребление, Польша 4,4 0 0,5 1,0 1,0 1,2

Потребление, Франция 2,9 1,8 1,0 1,8 0,4 0,6

Потребление в среднем, Западная Европа 4,3 1,3 1,6 2,9 1,7 1,5

Как следует из данных, представленных в таблице 1.2 в 2012 г. продолжились тенденции по изменению товарных рядов, свойственных последнему пятилетию. Устойчиво уменьшаются товарные доли туалетной бумаги и обычных салфеток, растут товарные доли одноразовых носовых платков и салфеток специального назначения.

Таблица 1.2 - Экспертная оценка распределения на мировом рынке долей по основным видам СГИ, %

Виды СГИ 2007 г. 2008г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г.

Туалетная бумага 49,0 51,5 50,0 48,5 48,0 48,0

Ролевые и складные бумажные полотенца 12,0 10,0 11,0 11,5 11,5 10,4

Салфетки общего назначения 14,0 14,5 14,0 14,0 13,9 14,1

Салфетки специального назначения 10,5 9,5 10,5 11,0 11,5 12,0

Бумажные скатерти 4,0 3,5 4,0 4,0 3,9 3,8

Одноразовые носовые платки 5,0 5,5 5,5 6,0 6,1 6,2

Прочие СГИ медицинского назначения 5,5 5,5 5,0 5,0 5,1 5,5

Всего 100 100 100 100 100 100

Предполагается, что эта тенденция - в самое ближайшее время - затронет и российский рынок санитарно-гигиенических изделий.

Лидеры на мировом рынке санитарно-гигиенических изделий: группа Georgia - Pacifik Tissue (США); SCA Hygiene Products (Швеция); Kimberly -Clark; Procter & Gambl [3].

При этом происходит наращивание объемов производства СГИ. В частности, группа Heinzel устанавливает новую бумагоделательную машину мощностью 80 тыс. т/год санитарно-гигиенической бумаги на фабрике Zellstof Polis в Австрии. Ввод в действие технологической линии хвойной беленной сульфатной целлюлозы и бумагоделательной машины запланирован на IV кв. 2013 г.

Вместе с тем, продолжилось строительство новых фабрик по производству санитарно-гигиенических изделий и в странах Южной Америки и Юго-Восточной Азии.

Корпорация Metso заключила контракт с компанией Forestal у Papelera Concepción на изготовление и поставку БМ Advantage NT Т-200 шириной 5,5 метров и мощностью 70 тыс. т/год для производства санитарно-гигиенической бумаги на фабрике в Чили. Ввод в действие технологической линии запланирован на IV кв. 2014 года.

Компания Mianyang Chaolan Paper планирует смонтировать две БМ производительностью по 10 тыс. т/год санитарно-гигиенической бумаги на фабрике в городе Mianyang (Sichuan, Китай). Основное оборудование технологических линий БМ шириной 2,82 м с расчетной скоростью 900 м/мин изготавливает и поставляет китайский завод Weifang Hicredit Machinery. Ввод в действие БМ-1 запланирован на ноябрь 2013 года, а БМ-2 на август 2014 года.

Компания Yunnan Yunjing Forestry & Paper выдала заказ корпорации Metso на поставку БМ производительностью 30 тыс/год санитарно-гигиенической бумаги для комбината в городе Puer (Yunnan, Китай). Для выработки бумаги высокого качества планируют использовать беленую целлюлозу. Ввод в действие БМ намечен на III кв. 2014 года [4].

В России из всех направлений целлюлозно-бумажной промышленности РФ, отрасль бумажных санитарно-гигиенических изделий (тиссью) до послед-

него момента росла наибольшими темпами, что связано с ее уникальным положением в российском целлюлозно-бумажном комплексе.

Устойчивость и высокие долговременные темпы роста, характеризовавшие российский рынок тиссью (около 9,2 % по итогам 2011 г. [3]), связаны, прежде всего, с относительно низким уровнем потребления СГИ в России. По данным организации Euromonitor International, Россия входит в число пяти самых быстрорастущих европейских рынков в рассматриваемой сфере.

По данным на 2008 год, объем потребления тиссью в России составил около 320 тыс. тонн, что составляет около 2,3 кг/чел., уровень потребления в странах Западной Европы не менее 12 кг/чел., а в США - более 24 кг/чел. в год.

По самым пессимистическим оценкам (среднегодовой прирост от 5 до 6,5 %) к 2015 году объем потребления тиссью в России составит около 450-500 тыс. тонн (менее 4 кг/чел. в год). С учетом действующих производственных мощностей, а также реализации заявленных проектов по пуску новых БДМ и вполне ожидаемых оптимистичных сценариев развития экономики России, разрыв между спросом и внутренним предложением может достичь 200 - 250 тыс. тонн.

Основные причины роста производства:

- рост экономики страны (рост ВВП 6-8 %);

- урбанизация страны - это связано даже не столько с ростом городов и доли городского населения, сколько с проникновением городского образа и стиля жизни в глубинку России;

- рост численности населения (в последние годы наметилась тенденция к улучшению демографической ситуации), что выражается в увеличении потребления СГИ медицинского назначения и средств ухода за детьми;

- появление на рынке западных ритейлеров;

- развитие ресторанного и гостиничного бизнеса, сетей быстрого питания (выражается в первую очередь в увеличении потребления салфеток) и рядом других факторов [5].

Подобная благоприятная ситуация подвигла многих игроков рынка к различным инвестиционным проектам, направленным на значительное увеличение производственных мощностей как в области производства бумаги-основы санитарно-гигиенического назначения, так и готовых изделий.

В 2008 - 2014 гг. в отрасли были и будут реализованы следующие важные производственные проекты [5, 6].

2008 год:

- ОАО «Сясьский ЦБК», Ленинградская область - пуск БДМ - 2 компании OverMeccanica, производительностью до 30 тыс. тонн/год.

- ОАО «Сыктывкарский Тиссью Груп», республика Коми - пуск БДМ - 2 компании Metso Paper, производительностью до 30 тыс. тонн/год.

- ООО «Мется Тиссью», Московская область - пуск завода по выпуску бумажных СГИ (две линии конвертинга компании Fabio Perini и 1 линия по выпуску промышленной продукции).

- ООО «Эс-Си-Эй Хайджин продактс Раша» (SCA), Тульская область -пуск конвертинга компании Fabio Perini.

- ЗАО «Алтайкровля», Алтайский край - пуск БДМ фирмы Copasa (Испания), производительностью до 570 тонн бумаги-основы в месяц.

2009 год:

- ОАО «Сясьский ЦБК», Ленинградская обла