автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Безножевой размол волокнистых полуфабрикатов с учетом реологических особенностей суспензий

На правах рукописи

ЕРОФЕЕВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

БЕЗНОЖЕВОЙ РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С УЧЕТОМ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СУСПЕНЗИЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ЕНЗ 2012

Красноярск 2012

005009561

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре «Машины и аппараты промышленных технологий», г. Красноярск

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Алашкевич Юрий Давидович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Каверзин Сергей Викторович

- доктор технических наук, профессор Лурье Михаил Семенович

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится «<ЛР» февраля 2012 г. в /С-®2 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира,82. E-mail: dissovetsibgtu01@mail.ru.

Отзывы (в двух экземплярах с заверенными подписями) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « /б » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Исаева Е.В.

Обозначения, принятые в диссертации: цс - коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий, Па-с; ц, - коэффициент динамической вязкости воды, Па-с; (и\ -ц") - разность скоростей движения соседних слоев воды, м/с; (осг-о1) - разность скоростей движения соседних слоев волокнистой суспензии, м/с. С - концентрация, %; и - скорость, м/с; I - температура, °С; / - длина волокна, мм; V/ - водоудерживающая способность, %; Б - внешняя удельная поверхность, м2/кг; сг - межволоконные силы связи, Па; С> - производительность, м3/с; Е - удельный расход электроэнергии, кВт-ч/г-°ШР;

Рв - давление, возникающее в месте мгновенного контакта с неподвижной

преградой фронта истекающей струи воды, МПа;

с - скорость движения ударной волны в струе воды, м/с;

р' - плотность воды, формирующей струю, кг/м3;

и, - скорость струи воды, истекающей на неподвижную преграду, м/с;

Рс - давление, возникающее в месте мгновенного контакта с неподвижной

преградой фронта истекающей струи суспензии, МПа.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Процесс размола связан с перемещением больших масс волокнистых суспензий в рабочих органах размалывающих машин, что сказывается как на самом процессе размола, так и на энергозатратах при перемещении волокнистой суспензии. В связи с этим, эффективность размольного оборудования может быть обеспечена на основе знания гидродинамических процессов, происходящих при взаимодействии рабочих органов размольного оборудования с волокнистой суспензией. При течении волокнистых суспензий, базовой реологической особенностью является их вязкость, которая позволяет судить о внутренних "силах, действующих в потоке.

Для того, чтобы наиболее полно судить о направлении процесса размола (в сторону поперечного укорочения волокон или в направлении продольного их фибриллирования), необходимо контролировать бумаго-образующие свойства волокнистой массы и физико-механические показатели отливок.

Ввиду того, что имеющиеся в литературных источниках экспериментальные данные по влиянию температуры, концентрации, скорости, граду-

са помола на состояние структуры потока волокнистых суспензий противоречивы, то ее решение остается серьезной проблемой.

Было бы целесообразно найти комплексный параметр, обеспечивающий взаимосвязь физического состояния волокнистых суспензий- с качественными показателями процесса размола волокнистой массы и прочностными характеристиками готовых изделий (отливок). Таким обобщающим параметром может являться коэффициент динамической вязкости.

Определение вязкости волокнистых суспензий связано со значительными трудностями, поскольку суспензии обладают рядом свойств, не позволяющих использовать для этой цели стандартные вискозиметры.

Вышеизложенное определяет необходимость проведения исследовательских работ, посвященных созданию новых способов определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий и выявлению зависимости процесса размола волокнистых полуфабрикатов от коэффициента динамической вязкости.

Целью исследований является: определение особенностей безножевого размола волокнистых полуфабрикатов с учетом комплексного параметра, базирующегося на коэффициенте динамической вязкости волокнистых суспензий; разработка нового способа определения вязкости волокнистых суспензий.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

- исследовать характерные особенности истечения волокнистых суспензий различных концентраций на процесс размола;

- провести исследования коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с использованием разработанного вискозиметра;

- определить количественные значения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий;

- провести математическую обработку влияния основных факторов на коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий;

- исследовать влияние вида волокнистых суспензий на значения коэффициента динамической вязкости;

- определить зависимость коэффициента динамической вязкости от степени помола волокнистой массы и ее физического состояния;

- определить зависимость бумагообразующих свойств полуфабрикатов, физико-механических показателей готовых отливок и энергосиловых параметров процесса размола от коэффициента динамической вязкости суспензий;

- разработать комплексный параметр процесса размола волокнистых полуфабрикатов, учитывающий взаимосвязь коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с их физическим состоянием, качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок).

Научная новизна

1 Впервые предложен новый способ определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с использованием разработанного вискозиметра, принцип работы которого основан на истечении волокнистых суспензий из цилиндра под постоянным давлением, контроле времени истечения и применении закона вязкости Ньютона.

2 Впервые для определения влияния основных факторов процесса размола (скорость суспензии, температура, концентрация, степень помола по шкале Шоппер-Риглера) на коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий предложены уравнения регрессии.

3 Получен комплексный параметр процесса размола волокнистых полуфабрикатов, представляющий взаимосвязь коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, с их физическим состоянием, качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок).

4 На основании теоретических и экспериментальных исследований впервые установлено влияние коэффициента динамической вязкости суспензии на бумагообразующие, физико-механические и энергосиловые показатели размола, что позволяет влиять на механизм процесса размола волокнистых полуфабрикатов.

Практическая ценность

Разработанный новый способ определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий позволяет прогнозировать качественные показатели готовых изделий.

Результаты экспериментальных исследований по определению коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий могут быть использованы, как при проектировании и изготовлении размольных машин, так и при их эксплуатации. Полученные данные также могут являться руководящим материалом при проведении размола волокнистых полуфабрикатов безножевым способом в промышленных условиях.

Автор защищает:

- теоретические и экспериментальные разработки по определению коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий;

- способ определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий;

- математические модели влияния основных факторов процесса размола на коэффициент динамической вязкости;

- результаты экспериментальных исследований зависимости изменения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий от их физического состояния;

- результаты экспериментальных исследований влияния коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий на бумагообразующие, физико-механические и энергосиловые показатели процесса размола;

- результаты экспериментальных исследований взаимосвязи комплексного параметра процесса размола волокнистых полуфабрикатов (коэффициента динамической вязкости), качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок).

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всероссийских научных конференциях «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2009) и «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск, 2007 - 2011), Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2010), Международной конференции Российского химического общества имени Д. И. Менделеева «Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов» (Москва, 2010), Международной научно-технической конференции «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии» (Москва, 2011). Работа выполнялась: при поддержке грантов ККФПН и Фонд Бортника (по теме «Влияние вязкости макулатурной массы на технологические и энергосиловые параметры при получении бумаги»); по заданию Министерства образования Российской Федерации, финансируемому из средств федерального бюджета № регистрации 01201061871 (по теме «Основы теории машин и аппаратов переработки растительного сырья»).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 23 работы, в том числе: 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 1 патент России на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 122 наименований. Объем работы составляет 139 страниц машинописного текста, включая 27 иллюстраций и 18 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, приведена общая характеристика работы.

В литературном обзоре произведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола волокнистых материалов, обоснована роль вязкости волокнистых суспензий в процессе размола. Отмечено, что научные сведения и рекомендации по определению вязкости волокнистых материалов носят противоречивый характер.

Попытка определить вязкость волокнистых суспензий с помощью вискозиметра, принцип действия которого основан на законе истечения

жидкости из капиллярных трубок, а также вискозиметра с падающим шариком (вискозиметр Хепплера) и вискозиметра ротационного типа, не дала положительных результатов. Причиной является забивание волокном капилляров в вискозиметрах, работающих по закону Пуазейля, неравномерного движения шарика в вискозиметрах Хепплера и отжимания волокна вращающимся цилиндром в вискозиметрах ротационного типа. Использование вискозиметров ротационного типа со схемой противодавления и с противотоком воды для определения различных реологических характеристик (вязкость, тензоры напряжений) волокнистых суспензий приводит к существенному изменению концентрации суспензии в замкнутом объеме вискозиметра. Также, при создании противодавления возникают большие погрешности, что отрицательно сказывается на чистоте эксперимента и воспроизводимости результатов.

Сравнительный анализ методов, способов и средств измерений для дисперсных систем позволяет сделать заключение, что наибольшее распространение получили вискозиметры, принцип действия которых основан на замере времени истечения жидкости. Эти приборы имеют надежную теоретическую основу, но для достоверности измерений вязкости необходимо соблюдать ряд условий: постоянный расход жидкости Q = const, обеспечение ламинарного режима течения и точный отсчет времени.

На основании анализа литературных источников обнаружены противоречия исследователей на методы определения коэффициента динамической вязкости волокнистой суспензии, сделаны выводы, определены цель, задачи и методы исследований представленной работы.

В теоретической части представлено обоснование нового способа определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, на который получен патент. Данный способ основан на принудительном перемещении жидкости, контроле времени истечения и законе вязкости Ньютона

Конструкция вискозиметра для определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий является весьма удобной при работе с ними. Принципиальная схема работы предложенного вискозиметра представлена на рисунке 1.

л и. и. И-

1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень; 3 —удлинитель; 4— насадка Рисунок 1 - Принципиальная схема вискозиметра

Изложенные недостатки ранее используемых вискозиметров учтены в предлагаемом способе, который позволяет определить коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий. Он основан на определении времени истечения фиксированного объема жидкости, причем человеческий фактор с использованием секундомера исключен. В данном случае время истечения замеряется видеокамерой, с последующей обработкой полученных результатов с точностью до 0,001 с.

Как известно, в вискозиметрах, основанных на замере времени при свободном истечении исследуемой жидкости, постоянно меняется ее объем. Этот недостаток в разработанном вискозиметре устранен, так как здесь обеспечивается принудительное движение жидкости с постоянной заданной скоростью. Результаты полученных исследований хорошо согласуются с экспериментальными данными Владимирского научно-исследовательского института синтетических смол (Реусов A.B., Ки-зин М.Г., Богословский В.Е. Вискозиметр для волокнистых суспензий. Бумажная промышленность. 1968. № 9. с. 11 - 12.) и с данными, описанными ученым С. О. Апситом (Апсит С.О., Килипенко A.B. Бумагообразующие свойства волокнистых полуфабрикатов. М.: Лес. пром-ть, 1972).

В экспериментальной части представлены: описание экспериментальной безножевой размольной установки типа «струя-преграда» для проведения исследования процесса размола; методика проведения эксперимента; результаты экспериментальных исследований изучения влияния физических параметров на коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий, а также влияния коэффициента динамической вязкости на бумагообразующие свойства волокнистой массы и физико-механические показатели готовых отливок.

В качестве исследуемых жидкостей использовались: бисульфитная небеленая целлюлоза - полуфабрикат ООО «Енисейский ЦБК», макулатура марки МС-1А - полуфабрикат ООО «Сиббумага», и вода. Концентрация волокнистых суспензий менялась в следующих пределах: 0,5; 1,0; 1,2 и 1,5 %.

Экспериментальные исследования проводились при изменении температуры исследуемых жидкостей: 25, 35 и 45 "С. Скорость истечения суспензии в вискозиметре регулировалась от 0,03 до 0,09 м/с, скорость истечения струи из насадки - от 113 до 250 м/с. Величина степени помола волокнистой массы по шкале Шоппер-Риглера на безножевой размольной установке имела следующие значения: 18, 30, 50, 70° ШР - для целлюлозы; 30,45,60, 70' ШР - для макулатуры.

При проведении математической обработки в качестве основных факторов, оказывающих существенное влияние на коэффициент динамической вязкости, были выбраны следующие: Х[ - концентрация массы С, %; Х2- температура волокнистой суспензии, °С; Х3 - давление, МПа. Выходным параметром является коэффициент динамической вязкости (Yj).

После математической обработки данных полнофакторного эксперимента были определены коэффициенты уравнений регрессии, и получены соответствующие математические модели. Изменение коэффициента динамической вязкости волокнистой суспензии в зависимости от основных факторов описывается следующими уравнениями регрессии: - бисульфитная целлюлоза: 1) для 30° IUP: Y] = 0,000969 - 0,000143- X, - 0,000147-Х2 +

0,000138-Хз + 0,0000704-Х,2 - 0,0000129-Х,-Х2 -0,0000186-Х, -Х3 + 0,000049-Х22 - 0,00000694-Х2-Х3 + 0,0000776-Хз2;

(2)

2) для 50° IUP: Y, = 0,0009126 - 0,000138-Х,- 0,000141-Х2 + 0,000117-Х3+ 0,0000588-Х,2 - 0,0000247-Х,-Х2 -0,0000195-Х,-Х3 (3)

+ 0,0000354- Х22 - 0,0000011-Х2-Х3 + 0,0000623-Х32;

3) для 70° ШР: Y, = 0,000893 - 0,000137-Х, - 0,000127-Х2 +

0,000106-Хз + 0,0000667-Х,2 - 0,0000158-Х,-Х2 -0,00000972-Х,-Х3 + 0,0000262-Х;,2 + 0,000003 82-Х2-Х3 + 0,0000633-Х32; - макулатура марки MC-1 А:

4) для 45° ШР: Y, = 0,00144 - 0,000159-Х, - 0,000161-Х2 +

0,000234-Х3+ 0,0000301-Х,2 + 0,0000112-Х,-Х2 -0,00000397-Х,-Х3 + 0,0000245-Х22 - 0,00000935-Х2-Х3 + 0,0000527-Хз2;

5) для 60° ШР: Y, = 0,00124 - 0,000125-Х, - 0,000128-Х2 +

0,000153-Хз + 0,0000158-Х,2 - 0,0000124-Х,-Х2 +0,00000987-Х,-Х3 + 0,00003 04-Х22 + 0,0000154-Х2-Х3+ 0,0000254-Хз2;

6) для 70° ШР: Y, = 0,00117 - 0,000101-Х, - 0,000129-Х2 +

0,00014-Х3+ 0,0000215-Х,2 - 0,00000995-Х,-Х2 + 0,0000109-Х,-Х3 + 0,0000293-Х22 + 0,00000727-Х2-Х3 + 0,0000262-Хз2.

(4)

(5)

(6)

(7)

Коэффициенты уравнений регрессии проверены на значимость с помощью критерия Фишера.

Для определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий предварительно проводили тарировку вискозиметра, которая основывается на учете возможных поправок и оценке погрешностей измерения вязкости жидкостей, и заключается в определении постоянной вискозиметра. Коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий определяли с помощью выражения (1).

Влияние степени помола по шкале Шоппер-Риглера и вида волокнистых суспензий на количественное значение коэффициента динамической вязкости (рисунок 2) представлено на основании результатов обработки целлюлозы и макулатуры при концентрациях от 0,5 до 1,5 %, скорости ис-

течения струи из насадки - от «113 до к 135 м/с, приросте степени помола

до 70° ШР и температуре 25 °С.

Из графика следует, что с увеличением степени помола по шкале

Шоппер-Риглера коэффициент динамической вязкости снижается.' Это

можно объяснить тем, что с увеличением степени помола происходит 30

26

а ¿22

218

14

10

015

\

ч-

30 45 60 75 Степень помола ", ШР

0 - макулатура, С = 0,5 %;

□ - макулатура, С = 1 %;

Д - макулатура, С = 1,5 %;

♦ — целлюлоза, С = 0,5 %;

я - целлюлоза, С = 1 %;

А - цешюлоза, С = 1,5 %

Рисунок 2 - Влияние степени

помола и вида полуфабриката

на его значения коэффициента

динамической вязкости

разрушение структурного каркаса, и волокно становится более разработанным, как для целлюлозы, так и для макулатуры.

Макулатура имеет показатели коэффициента динамической вязкости более высокие по сравнению с целлюлозой, независимо от величины концентрации. Это объясняется присутствием различных лиофильных коллоидов (например, крахмал) в макулатуре, что увеличивает ее вязкость. Пересечение графических зависимостей для макулатуры и целлюлозы можно объяснить повышенной удельной массой макулатуры. Чем выше удельная масса вещества и чем ниже содержание в нем воды, тем выше вязкость суспензии.

Изменение физического состояния

волокнистых суспензий и влияние его на количественное значение коэффициента динамической вязкости представлено на рисунках 3 и 4.

Из рисунка За следует, что с ростом концентрации волокнистых суспензий наблюдается увеличение коэффициента динамической вязкости. Это происходит за счет уве-а б личения числа волокон

Целлюлоза: о - г = 25 °С, И - X = 35 °С, я - г = 45 °С; в единице объема. Из Макулатура: А - Г = 25 °С, Д - ? = 35 "С, А - г = 45 °С графика 36 наблюдает-Рисунок 3 - Влияние концентрации и скорости ся снижение значений истечения волокнистых суспензий на коэффи- коэффициента динами-циент динамической вязкости ческой вязкости для

исследуемых жидкостей по идентичному закону с ростом скорости их течения. Это можно объяснить тем, что волокнистая суспензия относится к тиксотропным жидкостям, а их вязкость, как известно, зависит от скорости

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 С,%

4 5 6 и,*102м/с

истечения. Из-за деформации частиц наблюдается разрушение структуры, что влечет за собой уменьшение вязкости с ростом скорости.

20

Из графика, представленного на рисунке 4, видно, что характер изменения коэффициента динамической вязкости для волокнистых суспензий осуществляется по аналогии с характером изменения коэффициента динамической вязкости для воды. Количественные значения коэффициентов динамической вязкости волокнистых суспензий выше в сравнении с водой. По мнению исследователей (Шутова А.И. Задачник по коллоидной химии. М.: Высш. шк. 1966), с ростом температуры коэффициент дина-

27 34 41 48

t,°C

Целлюлоза: А-18°ШР; д-ЗО'ШР; ▲ -50°ШР; о -70°ШР; Макула-

тура:п-30°ШР;П -45°ШР; ш - 60°ШР; 0- 70°ШР; Ъ-Вода Рисунок 4 - Влияние температуры волотистых суспензий на коэффи-

циент динамической вязкости

мической вязкости воды снижается, что согласуется с нашими исследованиями для волокнистых суспензий. Они объясняют это изменением величины межмолекулярного взаимодействия под влиянием температуры. Однако, с ростом температуры межмолекулярные связи ослабляются из-за теплового расширения жидкости и увеличения межмолекулярных расстояний, а также из-за увеличения подвижности молекул среды, вследствие этого вязкость суспензии уменьшается. Межмолекулярное взаимодействие ограничивает подвижность молекул. В этом состоит одна из причин снижения вязкости суспензии с повышением температуры.

Экспериментальные данные по изучению влияния коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий на бумагообразующие свойства и физико-механические показатели готовых отливок получены на основании результатов обработки целлюлозы и макулатуры различных концентраций, при скорости истечения струи из насадки от «150 до »188 м/с, при температуре 35 °С и приросте степени помола до 70° ШР (рисунок 5).

Графики, представленные на рисунках 5а - 5г, показали, что с уменьшением значений коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий наблюдается рост показателей качества помола бумажной массы и физико-механических характеристик бумажных отливок. Автор работы (Ковалев В.И. Размол волокнистых полуфабрикатов при различном характере построения рисунка ножевой гарнитуры: автореф. дис... канд. техн. наук, Красноярск, 2007) объясняет это тем, что при размоле волокна подвергаются воздействию гидродинамических сил, приводящих к протеканию сложных физико-химических процессов в структуре волокон. В результате, происходит некоторое укорочение волокон, поверхностное расщепление и расчесывание в продольном направлении фибриллярной структуры,

оЧ

И

1,2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 /, мм

8 10 12 14 16 18 20 22 ц.*104Па-с

0 й

8 10 12 14 16 цЛСНИа-с

45 40

чО

^ 35

I 30

^ 25 20

15

|ГТ \

■ \

т ь л ч

\ V N

\ 1 \

1 г

9 12 15 18 2 цМО" Па с б

Л

1 1 . \

* ( V

\

«

-ы •V

7 9 И 13 15 ц,404Па-с е

Целлюлоза: Я-С = 0,5 %; к - С = 1 %; ♦ - С = 1,5 %;

Макулатура: □ - С = 0,5 %; А - С = 1 %; 0 - С = 7,5 % Рисунок 5 - Зависимость бумагообразующих свойств (а-в), физико-механических показателей готовых отливок (г) и энергосиловых параметров (д, е) от коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий

набухание и гидратация волокон. Волокна становятся более мягкими, повышается их эластичность и пластичность. В процессе фибриллирования ослабляются и разрушаются связи между отдельными фибриллами клеточной стенки волокон. На поверхности фибрилл образуется «начес» тонкого пухообразного материала, состоящего из целлюлозных молекул. В результате увеличивается удельная поверхность волокон. В свою очередь, в

процессе размола происходит более упорядоченное ориентирование волокон в потоке, что соответствует лучшему развитию внешней удельной поверхности за счет лучшего проникновения молекул воды в межфибриллярное пространство.

Экспериментальные исследования по изучению влияния коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий на энергосиловые параметры показали, что изменение вязкости отражается как на производительности размольной установки, так и на удельном расходе электроэнергии. Из рисунка 5д следует, что с уменьшением коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий производительность размольной установки увеличивается. В тоже время, уменьшение коэффициента динамической вязкости суспензии приводит к снижению удельного расхода электроэнергии (рисунок 5е), причем для целлюлозы эта тенденция выше, в сравнении с макулатурой.

Практическая реализация включает в себя решение следующих

задач:

1) проведение оптимизации процесса размола в безножевой размольной установке типа «струя-преграда»;

2) выявление взаимосвязи коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с их физическим состоянием, качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок);

3) корректировка механизма процесса размола волокнистой массы в безножевой размольной установке типа «струя-преграда» с учетом коэффициента динамической вязкости;

4) оценка экономической эффективности.

Основная задача оптимизации - получение высокого качества готового продукта с наименьшими энергозатратами. В качестве параметров оптимизации процесса безножевого размола были выбраны следующие характеристики: длина волокна (Y2), водоудерживающая способность (Y3), межволоконные силы связи (Y4), а также - удельный расход электроэнергии (Y5). В качестве основных факторов, оказывающих существенное влияние на коэффициент динамической вязкости, были выбраны следующие: X, - концентрация массы С, %; Х2 - температура волокнистой суспензии, °С; Х3- давление, МПа.

Задачей оптимизации процесса размола является выполнение следующих условий: Y2 -> max; Y3 min; Y4 —» max, Y5 -> min.

После математической обработки данных параметров, полученных экспериментальным путем, были получены математические модели для безножевого размола. Изменение качественных показателей процесса размола представлено на примере бисульфитной целлюлозы для 30° ШР и описывается следующими уравнениями регрессии:

- длина волокна

(9)

(10)

(И)

У2 = 1,89 - 0,04-Х, - 0,04-Х2 + 0,03'Х3 + 0,02-Х, -0,02-Х,-Х2 - 0,002-Х,-Х3 + 0,02-Х22 + 0,005-Х2-Х3 + 0,03'Х32;

- водоудерживающая способность

У3 = 229,76 - 10,26-Х, - 5,55-Хз + 17,28'Х3 + 4,48-Х,2 -3,52-ХгХ2 - 3,23-Х1'Х3 - 1,11-Х22 + 0,85'Х2-Х3 +3,09'Х32;

- межволоконные силы связи

У4 = 0,084 - 0,002-Х, - 0,005-Х2 + 0,008-Х3 + 0,002-Х,2 + 0,003-Х,-Х2 - 0,0003-ХгХ3 + 0,002-Х22 - 0,001-Х2-Х3 + 0,0002-Х32;

- удельный расход электроэнергии

У5 = 43,51 + 7,9-Х, - 7,57-Х2 - 9,86"Х3 - 1,22-Х,2 -3,12-Х,-Х2 - 5,07-Х,-Х3 -8,49-Х22. Совместно решая полученные регрессионные уравнения для различных стадий размола, получим следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения размола в безножевой установке:

X, = 1 %; Х2 = 35 °С; Х3 = 10 МПа.

При этом, выходные параметры принимают следующие значения:

- теоретические:

У2 = 1,92 мм; У3 = 238 %; У4 = 0,086 Па; У5 = 44,2 кВт-ч/г-°ШР;

- экспериментальные:

У2 = 1,91 мм; У3 = 232 %; У4 = 0,09 Па; У5 = 43,5 кВт-ч/г-'ШР.

При исследовании взаимосвязи коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с их физическим состоянием, качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок), коэффициент динамической вязкости представлен в ви-

де комплексного параметра. 12 г

о 11

Л

сю

VI >

К

'5 7 9

5 7 9 11 13 15

-щ,*102 м/с

е,*ю,%

сс

15 25 35 45 55 65 75 □ - скорость; ♦ - температура;

А - концентрация Рисунок 6 — Зависимость коэффициента динамической вязкости от физического состояния волокнистой суспензии

На рисунке 6 представлена графическая зависимость коэффициента динамической вязкости от физического состояния волокнистой суспензии. Задаваясь определенными значениями показателей физического состояния бумажной массы при ее размоле, мы можем иметь определенные значения коэффициента динамической вязкости.

Зависимость качественных показателей процесса размола и физико-механических характеристик готовых отливок от коэффициента динамической вязкости, можно видеть

из графиков, представленных на ри-сунках 7 и 8. Эти показатели зависят от физического состояния волокнистых суспензий через комплексный показатель процесса размола (коэффициент динамической вязкости). Стремление повысить значения указанных показателей требует снижения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, который является комплексным показателем процесса размола, зависящий от физиче-

ского состояния исследуемои суспензии. 1,5 г

£ , Г» 3

«Г 2.5 2 2 х 1,5 1

0.5 0

со

8,4 9,2 10 10,8 11,6 ц,*104Па-с

Рисунок 7 — Зависимость межволоконных сил связей от коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий

4

»3.5 ° 3

г»

22.5 5 2 1

0.5

0

~сг- и

- 1.

ц,*104 Пах ■ - водоудерживающая поверхность; О - внешняя удельная поверхность Рисунок 8 - Зависимость качественных показателей процесса размола от коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий

Снижения значений коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий можно добиться путем увеличения степени помола, скорости истечения струи суспензии из насадки, температуры или снижения концентрации.

С учетом возможности определения истинного значения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, оказалось возможным скорректировать истинное значение давления, возникающего в месте мгновенного контакта фронта истекающей струи с неподвижной преградой в безножевой размольной установке, в сравнении с водой.

Давление, возникающее в месте мгновенного контакта с неподвижной преградой фронта истекающей струи: - для воды

Г=с-Р'-и,-, (12)

-для волокнистой суспензии, с учетом формулы (1),

р'-с-р'-о.-Ж (13)

У я

Соотношение зависимостей (12) и (13)

В таблице 1 представлены данные по расчету давления для волокнистых суспензий в сравнении с водой.

Таблица 1 - Расчет давления на преграду при безножевом размоле

Параметр Бисульфитная целлюлоза Вода

Плотность жидкости, формирующей струю, кг/м3 950 1000

Средняя скорость, м/с 0,046 0,0545

Коэффициент динамической вязкости, Па-с 0,001767 0,000894

Давление, возникающее в месте мгновенного контакта с неподвижной преградой фронта истекающей струи, Па 65496,5 81750

Исходя из данных таблицы 1, можно сделать заключение, что коэффициент динамической вязкости играет существенную роль при гидравлическом ударе. Так при увеличении вязкости от цв=0,000894 Па-с до цс=0,001767 Па-с, давление Р уменьшается в 1,25 раз, что составляет 25 %.

Коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий зависит от многих факторов, среди которых: температура, скорость, концентрация, степень помола бумажной массы, - следовательно, значение давления Р при контакте струи с преградой также зависит от данных факторов.

Теоретические и экспериментальные исследования дают основание полагать, что для уменьшения энергозатрат необходимо снижать коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий. Аналогичная картина возникает при рассмотрении качественных показателей процесса размола и физико-механических показателей готовых отливок. Следовательно, возможно регулирование процесса размола с точки зрения расхода электроэнергии, потому что с уменьшением коэффициента динамической вязкости значение удельного расхода электроэнергии снижается, что подтверждается данными, представленными на графике рисунка 4е.

Получение экономического эффекта представляется возможным за счёт уменьшения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, обеспечивающего снижение удельного расхода электроэнергии при размоле и повышение качества продукции.

Расчетный ожидаемый экономический эффект на ООО «Енисейский ЦБК» составит около 12 млн. рублей в год.

Основные выводы

1 Разработан новый способ определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий.

2 Определены количественные значения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий, позволяющие обеспечить регулирование процесса безножевого размола.

3 Получена математическая модель влияния основных факторов процесса размола на коэффициент динамической вязкости.

4 Установлено, что качественные значения коэффициента динамической вязкости зависят от физического состояния волокнистых суспензий, их вида и степени помола волокнистых полуфабрикатов.

5 Определена зависимость бумагообразующих свойств волокнистых полуфабрикатов, физико-механических показателей готовых отливок и энергосиловых параметров процесса размола от коэффициента динамической вязкости суспензий. Установлено, что уменьшение коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий приводит к росту бумагообразующих свойств, физико-механических показателей готовых отливок, увеличению производительности размольной установки и снижению удельного расхода электроэнергии.

6 Определен комплексный параметр процесса размола волокнистых полуфабрикатов, который представлен в виде взаимосвязи коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий с их физическим состоянием, качественными показателями процесса размола, прочностными характеристиками готовых изделий (отливок).

7 Представлено истинное значение давления, возникающего в месте мгновенного контакта с неподвижной преградой фронта истекающей струи суспензии при безножевом способе размола, в сравнении с водой.

8 Расчетный ожидаемый экономический эффект на ООО «Енисейский ЦБК» составит около 12 млн. руб. в год. Эффект может быть получен за счет уменьшения коэффициента динамической вязкости бумажной массы, что приведет к улучшению качества готовой продукции и снижению удельного расхода электроэнергии.

9 Результаты исследований могут являться руководящим материалом при проведении размола волокнистых полуфабрикатов безножевым способом в промышленных условиях.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1 Ковалев, В. И. Зависимость основных физических параметров при контакте струи суспензии с преградой от температуры в безножевой размалывающей установке / В. И. Ковалев, А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV всерос. конф. - Кн. 1. - Барнаул: Издательство Алтайского государственного университета, 2009. - С. 219 - 221.

2 Ковалев, В. И. Силовые факторы в месте мгновенного контакта истекающей струи с неподвижной преградой при безножевом размоле / В. И. Ковалев, А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV всерос. конф. - Кн. 1. - Барнаул: Издательство Алтайского государственного университета, 2009. - С. 216-218.

3 Ерофеева, А. А. Зависимость значений плотности от температуры среды и концентрации волокнистой суспензии / А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич, В. И. Ковалев, Н. С. Решетова, Е. В. Петров // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. -Красноярск: СибГТУ, 2009. -Т.1. - С. 327 - 334.

4 Ерофеева, А. А. Основные физические параметры процесса соударения струи суспензии с преградой в безножевой размольной установке / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич // Химия растительного сырья. - 2009. - № 3. - С. 165 - 168.

5 Ерофеева, А. А. Анализ распределения скорости струи суспензии при течении ее в рабочих органах размольной установки «струя - преграда» / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич, В. П. Барановский // Лесной вестник.-2010.-№4.-С. 157-160.

6 Ерофеева, А. А. Влияние скоростных характеристик потока волокнистых суспензий на касательные напряжения внутреннего трения / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, А. И. Невзоров, Ю. Д. Алашкевич // Химия растительного сырья. - 2010. - № 3. - С. 181-188.

7 Ерофеева, А. А. Влияние температуры на вязкость макулатурной массы / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич // Инновационные химические технологии и биотехнологии материалов и продуктов: сб. ст. II междунар. конф. Рос. хим. общ-ва им. Д. И. Менделеева - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева 2010. - С. 243 - 245.

8 Ерофеева, А. А. Краткий экскурс в теории вязкости дисперсных систем / А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич, Е. В. Петров, В. Д. Элер // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. посвященной 80-летию СибГТУ. - Красноярск: СибГТУ, 2010.-Т.2.-С. 105-109.

9 Ерофеева, А. А. Факторы, влияющие на вязкость волокнистой суспензии / А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич, В. И. Ковалев // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. посвященной 80-летию СибГТУ. - Красноярск: СибГТУ, 2010. -Т.2.-С. 101-105.

10 Ерофеева, А. А. Определение коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий / А. А. Ерофеева, Н. С. Решетова, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич // Химия растительного сырья. - 2010. - №4. - С. 177 -182.

11 Ерофеева, А. А. Влияние температуры на основные физические параметры при течении жидкости в размольной установке /

A. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич, В. П. Барановский // Лесной вестник. - 2010. - № 6. - С. 157 - 160.

12 Решение о выдаче патента на изобретение от 28. 10. 2010г. Заявка 2010144231/28 (063743) Российская Федерация, МПК7 G01N 11/04 (2006.01). Способ измерения вязкости неньютоновских жидкостей/ Алашкевич Ю.Д., Ковалев В.И., Ерофеева А. А. (Россия); заявитель Сибир. госуд. технолог, ун-т./ пат. поверенный Куличкова И.П.; заявл. 28.10.2010.

13 Пат. № 2425716. Российская Федерация. МПК В02С 7/00. Размалывающая гарнитура для дисковой мельницы / Ю. Д. Алашкевич,

B. И. Ковалев, А. А. Ерофеева - № 2010126441. Заявл. 28.06.2010; Опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22. - 5 с.

14 Ерофеева, А. А. Моделирование скоростных характеристик волокнистой суспензии с заданной вязкостью в безножевой размольной установке типа «струя-преграда» / А. А. Ерофеева, Ю. Д. Алашкевич, В. И. Ковалев // Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии - НЭРПО-2011: сб. ст. междунар. науч.-техн. конф./ - М.: Изд-во МГОУ, 2011. - С. 274279.

15 Ерофеева А. А. Определение коэффициента динамической вязкости макулатурной массы / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич // Лесной журнал.-2011,-№4.-С. 115-119.

Подписано в печать 12.01.2012. Формат 60x84 1/16. Изд. №5/1. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ № 1361.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, Красноярск, пр. Мира, 82 Телефон (391) 227-69-90, факс (391) 2) 1-97-25

61 12-5/1842

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ЕРОФЕЕВА АННА АЛЕКСАНДРОВНА

БЕЗНОЖЕВОЙ РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ С УЧЕТОМ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ СУСПЕНЗИЙ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д. т. н., профессор Ю. Д. Алашкевич

Красноярск - 2012

Содержание

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

1 Литературный обзор............................................................................................7

1.1 Общие положения.........................................................................................7

1.2 Виды вязкостей при течении жидкости и факторы, влияющие на нее... 9

1.3 Механизм вязкости.....................................................................................13

1.4 Измерение вязкости....................................................................................17

2 Теоретический анализ определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий........................................................................................30

2.1 Характер распределения скоростных потоков волокнистых суспензий в полости рабочего цилиндра.................................................................................32

2.2 Расчет площади сдвига слоев при течении волокнистых суспензий в полости рабочего цилиндра и определение силы сдвига..................................35

2.3 Определение коэффициента динамической вязкости.................................39

3 Экспериментальная часть..................................................................................42

3.1 Методика проведения эксперимента.............................................................43

3.1.1 Методика проведения математической обработки влияния основных факторов на коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий........................................................................................43

3.1.1.1 Выбор метода исследования....................................................................43

3.1.1.2 Построение математической модели......................................................44

3.1.1.3 Выбор плана для математической модели.............................................45

3.1.1.4 Схема регрессионного анализа................................................................48

3.1.1.5 Реализация и анализ математической модели влияния основных факторов на коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий........................................................................................51

3.1.2 Определение коэффициента динамической вязкости..............................56

3.1.3 Определение основных технологических и энергосиловых параметров размольной установки......................................................................63

3.2 Порядок проведения эксперимента...............................................................67

3.3 Результаты эксперимента...............................................................................70

3.3.1 Определение коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий................................................................................................................71

3.3.2 Зависимость изменения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий от их физического состояния.....................................73

3.3.3 Влияние состояния волокнистых суспензий в процессе размола на значения коэффициента динамической вязкости..............................................77

3.3.4 Влияние коэффициента динамической вязкости на отдельные бумагообразующие свойства волокнистой массы.............................................81

3.3.5 Изменение энергосиловых параметров процесса размола в зависимости

от коэффициента динамической вязкости суспензий.......................................85

4 Практическая реализация .................................................................................89

4.1 Оптимизация процесса безножевого размола..............................................90

4.2 Оценка качественных показателей процесса размола и физико-механических характеристик готовых отливок с использованием коэффициента динамической вязкости...............................................................93

4.3 Корректировка механизма процесса размола волокнистой массы в безножевой установке с учетом коэффициента динамической вязкости.....104

4.4 Влияние коэффициента динамической вязкости на удельный расход электроэнергии....................................................................................................108

4.5 Оценка экономической эффективности......................................................109

Заключение...........................................................................................................115

Библиографический список................................................................................117

Приложения.........................................................................................................130

Введение

Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности - одни из самых крупных природопользователей, потребителей воздуха и водных ресурсов среди всех отраслей российской промышленности. Продукция бумажной промышленности является материальной базой культурного развития страны и с каждым годом находит все более широкое применение в ряде отраслей народного хозяйства. В связи с этим ее потребление увеличивается с каждым годом [1].

В области производства целлюлозы, и особенно бумаги, реологические процессы являются преобладающими и практически распространяются на большинство основных технологических процессов, таких, как размол, гидротранспорт и переработка целлюлозных суспензий в процессе гомогенизации и напуска массы на сетку, при формовании и обезвоживании бумажного полотна, прессовании, сушке, каландрировании и переработке бумаги [2]. При конструировании и эксплуатации аппаратов, приборов и машин бумажной промышленности необходимо знание реологических свойств бумажной массы, в частности ее вязкости [3,4].

Вопрос о теории вязкого течения еще очень далек от более или менее окончательного разрешения в связи с тем, что в формулах, представленных в разных теориях, имеется большое количество произвольных постоянных. Именно поэтому достоверный и точный анализ механизма вязкого течения играет важную роль при обработке экспериментальных данных. Для волокнистых суспензий подобный способ анализа, по-видимому, является единственно возможным. Это связано с тем, что ее структурные особенности могут варьироваться в широких пределах.

По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой

вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов.

Для выпуска продукции высокого качества необходимо строгое соблюдение и поддержание стабильности технологических режимов, а также гарантия состава и свойства исходных материалов и изготовляемых изделий. Все эти практические задачи не могут быть решены без наличия и правильного использования весьма точных и быстродействующих средств измерения.

Создание и внедрение методов и приборов контроля вязкости позволяет сократить затраты труда работников цеховых лабораторий на выполнение необходимых анализов путем снижения их длительности и увеличения объективности полученной при этом информации [5].

Серьезной теоретической, практической и экспериментальной проблемой остается влияние технологических факторов на состояние структуры волокнистых суспензий, без решения которой не гарантируется правомочность и полезность сопоставления результатов измерения на разных системах. Как парадокс можно отметить, что, несмотря на большой объем накопленного экспериментального материала, практически отсутствуют данные, пригодные для сопоставления с теорией [6].

Важным, на наш взгляд, является исследование зависимости значения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий от отдельных факторов технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности, в частности процесса размола волокнистых полуфабрикатов, который представляет собой крупную технико-экономическую проблему.

Было бы целесообразно найти комплексный параметр, обеспечивающий взаимосвязь физического состояния волокнистых суспензий с качественными показателями процесса размола волокнистой массы и прочностными характеристиками готовых изделий (отливок). Таким

обобщающим параметром может являться коэффициент динамической вязкости.

Вопросом принципиальной важности является снижение энергопотребления размалывающих машин и определение оптимальных режимов их работы, которые обеспечивали бы необходимое качество размола при минимальных энергозатратах. Это требует научного, теоретического обеспечения на базе углубленного изучения механизма размола в существующих размалывающих машинах [7]. Для поддержания оптимального режима работы оборудования необходимо знать взаимосвязи между показателями технологического режима, качеством древесноволокнистого полуфабриката и готовой продукции.

Таким образом, проектирование машин и аппаратов целлюлозно-бумажного производства, например размольных установок, оказывающих основное влияние на качество конечной продукции, невозможно без знания внутренней структуры потока, а также реологических особенностей бумажной массы, в частности коэффициента динамической вязкости.

Использование табличных данных значений коэффициента динамической вязкости, определенных экспериментально, позволяет спрогнозировать конструктивные параметры рабочих органов размольных машин, что может быть использовано при их проектировании, изготовлении и эксплуатации.

В связи с этим очевидна актуальность работ, посвященных исследованию коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажной промышленности, влиянию его на качественные показатели в процессе размола, разработке оптимальных режимов работы размольных установок с целью получения продукции, отвечающей требованиям стандартов и потребителей, снижению энергозатрат и повышению производительности размольных установок.

1 Литературный обзор

1.1 Общие положения

Процесс размола представляет собой крупную технико-экономическую проблему целлюлозно-бумажного производства. В связи с этим очевидна актуальность работ, посвященных созданию новых видов размольного оборудования, модернизации существующих машин, выбору и разработке рациональных технологических схем размола. Решение этих проблем связано с глубоким изучением механизма размола массы при течении ее в рабочих органах размольных машин [5, 6]. Под «размолом» принято понимать сумму воздействий на волокна, включающую рубку и фибриллирование, а также влияние водной среды [8, 9]. Следовательно, данный процесс связан с деформированием волокна в водной среде.

Как известно, реология - наука о деформациях и текучести вещества. Без знания реологических свойств волокнистой массы невозможно понять механизм ее движения. Например, эффективность работы размалывающего оборудования определяется его пропускной способностью, то есть основывается на гидродинамических характеристиках волокнистых суспензий, которые зависят от вида и конструкции бассейнов для бумажной массы, перешивающих устройств и гидроразбивателей, а также определяется степенью диспергации массы и количеством потребляемой энергии на привод роторов. Следовательно, в основу таких расчетов должны быть положены реологические характеристики [10].

Реологические характеристики имеют большое значение, как для оценки качества веществ, так и для определения способности веществ к переработке [11, 12, 13, 14, 15, 16]. Их классификация представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Реологические свойства материалов

Появление и характер образующихся структур, как правило, определяют по фундаментальным свойствам систем, к важнейшим из которых относятся вязкость, упругость, пластичность, прочность и твердость. Так как эти свойства непосредственно связаны со структурой тела, то их обычно называют структурно-механическими [17, 18, 19].

Вязкость - свойство газов, жидкостей и твердых тел, характеризующее сопротивление их течению под действием внешних сил [20]. Для волокнистых суспензий она является основным свойством, которое позволяет судить о внутренних силах, действующих в потоке [21]. Таким образом, значимость определения вязкости существенно возрастает.

Как видно из рисунка 1.1, вязкость является фундаментальной характеристикой, которая значима для гидродинамических процессов, связанных с перемещением жидкости по трубопроводам, каналам и рабочим полостям гидравлических машин. Также она играет важную роль в технике, так как именно в этой области часто приходится решать задачу получения стабильных концентрированных суспензий с низкой вязкостью. Это важно при операциях транспортировки дисперсных систем по трубопроводам, измельчения, сушки, формования и так далее. При этом необходимо предотвратить налипание дисперсных систем на стенки трубопроводов, реакторов и рабочие поверхности технологического оборудования [22].

1.2 Виды вязкости при течении жидкости и факторы, влияющие на

нее

И. Ньютон (1686) впервые высказал в виде гипотезы закон для внутреннего трения: «Сопротивление, возникшее вследствие недостатка скольжения между частицами жидкости, при прочих равных условиях пропорционально скорости, с которой частицы отклоняются одна от другой» [23]. Он предположил, что при движении жидкости движущая сила уравновешивается силами внутреннего трения.

Как ранее, так и в начале XX века, строгой теории вязкости жидкостей так и не создано, поэтому на практике широко применяют различные виды вязкости, некоторые из них на деле используются достаточно редко: абсолютная • кажущаяся

аномальная • кинематическая

внутренняя • магнитная

ударная • неньютоновская

условная • нормальная

динамическая • ньютоновская

турбулентная ударная удельная упругая

характеристическая эффективная

объемная относительная пластическая предельная приведенная сдвиговая структурная

После данного анализа можно сделать вывод, что для определения некоторых видов вязкостей необходимо знать другие ее разновидности. Например, чтобы найти приведенную вязкость, нужно располагать сведениями об удельной; для относительной вязкости - динамической и так далее. Это не совсем удобно в решении различных технических задач.

Единицы измерения вязкости тоже разноплановы [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30]: от всем известных - пуаз, стокс, Па-с до градус Энглера (°Е), градус

и

Барбье (°В), секунда Сайболта ( 8 или Би), секунда Редвуда ("Я или 11-1). Эти единицы представляют собой либо отношение времени истечения жидкости в соответствующем приборе при данной температуре ко времени истечения стандартной жидкости при установленной температуре, либо время истечения определенного объема исследуемой жидкости в стандартных условиях, то есть в области ламинарного течения [23, 31]. Во всем мире принято обозначать единицы физических величин в системе СИ, т.к. именно по этим параметрам легко судить о физическом смысле.

Многие исследователи считают, что в теоретической работе о строении жидкостей удобнее пользоваться текучестью - обратной величиной вязкости. Немецкие авторы предпочитают говорить не о вязкости, а о «внутреннем трении».

Исходя из вышеизложенного, самым оптимальным параметром является динамическая вязкость, поскольку именно этот показатель имеет единицу измерения в системе СИ, а для его определения не надо определять

другие виды вязкостей. При решениях различного рода задач принято обозначать данный показатель как коэффициент динамической вязкости.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на вязкость дисперсных систем.

Английский ученый Горт-Нер [32] утверждает, что существует 11 факторов, которые влияют на вязкость лиофильных систем (лиофильные и лиофобные коллоиды) - грубодисперсные системы; как правило, при наличии разности плотностей, они седиментационно неустойчивы, то есть их частицы оседают под действием силы тяжести или всплывают. Данный список будет более полным, если учесть мнение исследователей [10, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52]. Исходя из вышесказанного, существуют 15 факторов, которые влияют на вязкость волокнистых суспензий.

1 Концентрация. С увеличением дисперсной фазы происходит рост коэффициента динамической вязкости.

2 Температура. Известно, что вязкость очень чувствительна к изменению температуры. Слишком высокие температуры снижают стабильность дисперсий: при повышении температуры число и энергия соударений частиц возрастают и, таким образом, тенденция системы к коагуляции также увеличивается.

3 Степень дисперсности. Дисперсность является определяющей характеристикой волокнистых суспензий.

4 Сольватация - процесс связывания молекул растворителя молекулами или ионами растворённого вещества или набухшего твёрдого тела. В нашем случае происходит связывание молекул воды, то есть гидратация. Как известно, гидратация очень важна при размоле волокнистых полуфабрикатов.

5 Электрическое напряжение. Оно относится к такому типу суспензий, характер течения которых сильно зависит от величины электрических полей,