автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Исследование процесса пропитки гофрированного картона парафино-церезиновыми расплавами с целью улучшения его влагопрочных свойств

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОЕ КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 'ГШЮЛОБШЖЙ ШЮ'ДШ'Г ДШШОЗШ-ШАЖЮИ. ПРОМЫйШЕШЮата

На правах рукописи БЕСШЮВА Клеяа Владимировна

ИССВДОВАНИЕ ЛРОЩШ! НР01МТЩ ГОЗВЦОВАШЮГО КАРТОНА ПАРАФИНО-ДИРЕЗИШЗШЩ РАСГЖВАЫ^ С ШЬЮ ЯЯШЙ'ЕИ ВЛАГОПЮЧШХ СВОЙСТВ

05.21.03-технология и оборудование химической переработки древесина; химия древесивд

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук .

Ленинград - 1990

Кабота выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного ; Знамени технологическом Институте целлюлозно-бумажной промышлей-! кости.

НАУЧШЛ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор О.К.Федоров

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профессор В .М .Климов

- кандидат технических наук И.Ф.Зорин

ВВДУЩДЯ ОРГАШЗАШШ ' ~ Мосгипробукхимнром

Защита состоится '^а^А| 1990г. в

часов на заседании специализированного совета Д.063.24»01 при Ленинградском ордена -.Трудового Красного Знамени технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности (198092, Ленинград, ухИвайа Черннх, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени технологического инстатута целлюлозно-бумажной промышленности,у Автореферат разослан "

02 - иъе* Г) 1990г.

Ученый секретарь л

специализированного вдвега Швецов Ю.Н»

ОБЩ ХАРЛШШ01ВД РАВЭ'Ш

Актуальность темы. Ускорение социально-экономического ^развития народного хозяйства вызывает необходимость обеспечения рромшленности прогрессивными видами тар! и тароупаковочными материалами. Освоеш1е производства влагопрочного гофрированного картона и тарой из него является ваиюй составляющей . часты) решения этой задачи. Потребность во влагоирочном гофрированном карго по для упаковки овощей, фруктов, мясных продуктов и промшлеишх товаров составляет около 400 млн.м2 в уод. Отечественная промышленность не выпускает данную продукцию из-за отсутствия требуемого оборудования. Исследование процесса пропитки гофрированного картона парафиноыш расплавами, с целью разработки научно-обоснованных рекомендаций, дня создания прогрессивного оборудования, актуально в решении проблемы освоения выпуска влагопрочной тары.

Диссертационная работа выполнена в составе общесоюзной научно-технической программы 0.63.02 "Разработать а освоить . производство экономичных видов транспортной тара, прогрессивных (латергадов и оборудования для их изготовления", утвержденной совместным постановлением й 543/263 ГЖТ, Госпланом и Президиумом АН СССР 21 октября 1985 г.

Цель и задача исследования. Исследование процесса пропитки гофрированного картона парафино-церезиновш расплавом и разработка рекомендаций для создания оборудования, обеспечивающего производство гофрированного картона с требуемыми влаго-прочнывд свойствами при рациональном использовании расплава. В связи с зтам в работе решены следующее задачи:

- теоретически разработан и зкспераментально уточнен механизм процесса пропитки гофрированного картона путец орошения его свободнопадавдаш струями пара$ино-церезиновых расплавов;

*• - экспериментально из учены, реологические свойства расплавов, выявлены эмпирические зависимости скорости впитывания расплава в массу картона и качественных показателей готовой продукции от технологических параметров процесса;

- разработаны математическая иодель и рекомендации по управлении технологическим процессом пропитки гофрированного картона о применение« установки "Каскад", обеспечивающие про-

изводство гофрированного картона с требуемыми влагопрочными Ячествами при рациональном расходе расплава.

Общая методика исследований. Теоретические исследования процесса выполнены с применением современных представ-, лений теории движения жидкости но каналам с переменной массой вдоль пути движения. Экспериментальные исследования проведены на специально созданных стендах с применением современного оборудования,' вкяотая: вискозиметр "Реотест-2", растровый электронный микроскоп РЭМ-ЮО и скоростную киносъемочную камеру. йзработанная методика исследования, примененная аппаратура и метода математической обработки результатов, позволила о достаточной достоверностью .выявить силовые я кинематические факторы, влияющие На процесс прояиткн. С помощью современной методики и стандартной контрольно-измерительной аппаратур исследовалась качественные показателя влагонрочного Картона и их зависимость от содержания расплава.

Научная новизна. Впервые изучена кинетика пропитки, проведена аналитическая оценка факторов, влияющих Ьа процесс орошения гофрированного картона я его пропитку свободнодадающими струяма расплава, определено количественное значение параметров и установлена математическая модель процесса пропитка гофрированного картона пара^ино-церезиновым расплавом.

Разработан метод управление тоПессом «погштки гофпиропян-ного Кантона с помощью вновь созданной установки "Каскад".

Практическая ценность. Научно обоснована возможность промышленного''производства влагонрочного гофрированного картона с требуемом^ показателями качества при рациональном использовании расплава. Разработан пакет номограмм и рекомендации по управлении процессом пропитки гофрированного картона парафино-церезиновым расплавом о помощью установки "Каскад".

Реализация результатов работы. На Измайльском ЦКК изготовлена опытная Партия тары из гофрированного кантона, пропитанного методом 'ороиеяия свободнопадающими струями парафшо-церезйнового расшива. Йспытакйя вяагопрочной тары применительно К условиям упаковки, хранения, складирования и транспортирования продукции Саратовского электроагрегатного за-

вода подтвердили ее эффективность для промшленного использования.

Апробация работ». Но результатам выполненных исследований, изложенных в диссертация, сделаны сообщения, получившие положительную оценку на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников в 1987-1988 году в ЛГИ ЦБП.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи.

Объем работы. Диссертация содержи1 введение, пять разделов основного текста, заключение, библиографию и приложешю. Содержание работы изложено на 146 страницах, включая * в таблиц и 31 рисунок . Библиография 54 наименования.

Автор выносит па зад;ату: -гГ(;ороуичис1:уп кодуш д^^оиик идоин ;,и;дкоо'1'и цо целевому каиаау, кугла отеигк л^нала ши'^и^да чисть кдести, а шсса ее в потоки ищчйлыпп по л^низ ^.иииа;

-методику и результата экспериментальных исследований (физических свойств расплавов, закономерности пропитки гофрированного картона и изменений свойств его от содержания од-раф1но-церезинового расплава;

-математическую модель процесса пропитки гофрированного картона и рекомендации до управлению процессом получения готовой продукции требуемого качества яра рациональном использовании парафиш-церезщговога расплава.

СОДЕШШЕ РАКШ

Во введешь обоснована актуальность теми диссертации, дат общая характеристика работу и ее цель.

В первбм разделу проведен анализ технологий и оборудования, используемого для'производства влагопрочного' гофрированного картона. Выявлено, что наиболее прогрессивным является способ обработка изделий из гофрированного картона на заключительном этапе их производства. Использование расплавов на парафиновой основе для атах целей наиболее доступно ао техвдко-акойокиче сшш прачияаы. Процесс пропитки изделий струим« раошшш. характеризуется экологической доступ-

носты), обеспечением требуемого качества готовой продукции, возможностью реализации аппаратурного оформления и рационального использования сырьевых, ресурсов. Установлено, что создание отечественного оборудования, обеспечивающего эффективную пропитку гофрированного картона расплавами, сдерживается Из-за отсутствия научно-обоснованных представлений о процессе. Рассмотрена методы математического моделирования технологических процессов. Выявлена возможность применения мето-долотаи моделирования к созданию математической «одели исследуемого процесса- Б результате анализа определена цель и по-станлены задачи исследований.

Во втором разделе проведен теоретический анализ процесс Са пропитки гофрированного картона вязкими жидкостями(рисЛ).

Схема физической модели процесса пропитки , тарированного картона

к

% £х 1 %

W к i ... 4J1 К

в •

I-струя вязкой жидкости! 2 -гофрированный картон.

Ric.I

В результате теоретического анализа движения вязкой жидкости по каналу в условиях .частичной впитываемости ее в стенки канала.и переменной масси потока по длине канала, установлена Зависимость средней скорости потока от физических

жидкости геометрических размеров струи и условий пропитки. Согласно теория отечественных ученых Мещерского. И.В., Петрова Г.Л., Кутушева 1Г.Д. Закон изменения количества движения струн жидкости с переменной массой, применительно к физической модели процерса про пятки, выражается а дифференциальной форме уравнением: _

«о f ■ (Ъ dV, * dt-($-j>-6Sd,-

Раскрывая содержание расхода жидкости ги.цродинаш-ческого давления в живом сечении струи fy и касательного напряжения в яицкости m поверхности стерок канала по известным в гидромеханике законам, уравнение (I) преобразуем и упростим (за счет пренебрежения величинами второго порядка малости) до вида:

+ - (2)

где Дг - средняя скорость струи в сечении х;

СУ, - коэффициент коррекции средней скорости;

ф - ускорение свободного падения;

á - ширина канала;

jff - коэффициент динамической вязкости;

J2 - плотность жидкости;

fn/t ~ скорость пропитал (оттока жидкости в стенки канала).

Интегрируя уравнение (2), методом замены переменных, при начальных условиях: Хе - О ¡ * , получим ¿i _

« «а . 1.Л. 4. 2ÜL * т ¥х

(3)

- ¿J> S 4r0(t .j*

= ^ " (4.+ Ч*)■•/!• А* Х '

Данное уравнение вцражает закон двшгеяия вязкой жидкости цо щедевому каналу в условиях оттока части, аидкоста в стадно канала и переменной массы жидкости в потоке по длине кава-

ла. £ сожалению,_ это уравнение не кошт быть решено относительно в явном виде. Однако егл можно значительно упростить йри условии, если выраже!ше под знаком натурального логарифма принять бдизшш к единице.

}} диссертации приводится обоснование, что, в диапазонах варьирования независимых переменных;, охватывающих область

практического применении процесса пропитки, велики отноие-шш ■ 4 • Уяр*113 порядок ирешшет значения я , следовательно, второй! член лцвои части уравнения (3) существенного значения на величину V/ не оказывает. С учетов сделанного допущения зависимость средней скорости потока % выражена уравнением

Коэффициентом уб внесена поправка сделанного допущения, которая определена экспериментальными исследованиями.

На основании баланса юссн жидкости, участвующей в процессе пропитки по схеме физической модели, установлена теоретическая зависимость скорости Vтрв переь'ещешш орошаемых поверхностей перпендикулярно направлению'движения потока жидкости ^

. ' Т^г <Ъ'П). (5)

где о - толщина струи;

Юр - масса жидкости, ¿питанной стенкой канала;

X - длина канала.

Совместное решение уравнении (4) и (С) относительно скорости ТХг/> дает теоретическую модель процесса пропитки, соответствующую рассмотренной физической шдели процесса

?г 1 X /У/'/?' гЬ, ./г)

Уф ~ р А ^Р ■ («е+а?) (6)

Б результате теоретического анализа поставлены задачи экспериментальных исследований:

- реологических свойств нара^шо-церезиновых расплавов;

- кинетики пропитки картона расплавом;

- движение расплава го щелевому каналу мевду параллель-.ними листами гофрированного картона и опытное определение величины коэффициента " .";

- зависимости влагопрочшх свойств пропитанного гофрокартона от содержания расплава в его кассе.

В третьем разделе дается описание методов и аппаратуры экспериментальных исследований по поставленным задачам, а также описаны метода математической статистики,, примененные для обработки результатов экспериментов. Реологические свойства расплавов определялись с помощью лабораторного стенда, включающего термостат ¿/-10, вискозиметр "Реотест-2" и контрольно-измерительной аппаратурой, входящей в состав стенда.

¡Ошейка процесса пропитки картона изучалась с помощью стандартной научной аппаратуры: прибора одностороннего скачивания картона "ОСК", сканирующего электронного микроскопа, аналитических весов, приборов для измерения сопротивлений картона торцевому снагию, разрнпу я продавливанию, время опытов регистрировалось секундомером.

Двлжение струн расплава в условиях максимально приб-ляяешшх к реальному процессу, регистрировалось с помощью киносъемки (ряс.2).

Величина коэффициента £ определялась на основе опытных измерений по формуле: - _

А - (Со*«?) / *2 ^" ■г ' ■ а ■ V*/, * <7>

Согласно исследованиям Штеремлихга Д.В. величина коэффициента даш ламинарного установившегося движения вязкой жидкости равна 1,25. Остальные параметры определены экспериментально в данной работа.

Зависимости влагопрочных свойств гофрированного картона изучались на основе измерения величин сопротивлений гофрированного картона торцевому сжатию, разрыву, продавливанию до замачивания и после замачивания его в воде При разных значениях содержания расплава в массе гофрированного картона. Измерения сопротивлений производились приборами соответственно, УСГ-Г/^Л'-ЮОО, НТК, допущенными дая научных исследований в целлюлозно-бумажном производстве.

Достоверность опытных величин й эмпирических зависимостей, полученных в данной работе характеризуется надежностью не шике

Стенд дм киносъемки движения струи расплаш

3

I-экран с размерной сеткой; 2 -гофрированный картон| 3-струя расшхава; 4-кинокамера.

Рис.2

В четвертом разделе проведен анализ экспериментальных исследований, уточнена и дополнена экспериментальными •сведениями теоретическая математическая модель процесса прот нитки гофрированного картона парафано-церезиновым ^сплавом, Исследованиями реологически! свойств расплавов установлена принадлежность расплавов к ньютоновский . жидкостям в диапазонах температур от 333°К до 393°К при содерзации церезина от 10;? до Коэффициент Динамической вязкости вы-

ражается зависимостью (рис.3 )

/

26,93 -5,ее <9 • Т

О)

где

В - основание натурального логарифма; Т - температура расплава по шкале Кельвина» Плотность расплава выражается эмпирическим уравнением

у? = 895,8 - 0,31'Т; - [ кг/м3/ (9)

Зависимость коз©ициента динамической вязкости расплава от температуры нагрева

го

\

ч

N

\

К

1

120 Ш 360 ¿80 Текшратура расллаба, К

* - при содержаний церезина 10$; • - при содержании церезина 20$; д- при содержании церезина 30%, Ркс.З

Изучение кинетики процесса пропитки позволило установить механизм накопления расплава в массе картона, согласно которого расплав с переменной во времени скоростью за счет капиллярных сил заполняет межволокошюе пространство в массе картона. На первой стадйи пропитки расплав концентрируется на волокнах картона в виде "шубы". При последувдем Насыщении "шуба" нарастает., а затем образуются хлопья застывшего рас-

плава в межволоконном пространстве. Такое взаимодействие влагостойкого расплава со структурой картона создает надежную защиту волокон от воздействия води л водяных паров и тем самым придает влагопрочность картону в целом. Скорость пропитки картою парафино-церезшювым расплавом преимущественно зависит от- времени контакта между картоном и расплавом; в > меньшей степени зависит от температура расплава в исследуемых диапазонах _ а > ,

,Г & а) ■ Г * 7

* £ ' I о / (10)

при Т = 353°К; а = 5,49; с = 42,7.

Т = 373°К; а = 6,36; с = 53,3. Графическая ингерпритация зависимости (10) дана на рис.4. Наиболее интенсивно пропитка картона происходит в первые десять секунд контакта. .

Сравнение результатов экспериментальных исследований движения расплава по щелевому каналу с теоретическими по (формуле (7) определено числовое значение коэффициента £ равное 1,274. Постоянство величины ^ а линейная зависимость средней скорости потока от перемещения "X" подтверждены ' экспериментально (рис.5).

Мерой влагонрочности гофрированного картона принята относительная остаточная прочность его по трем видам испытаний; сопротивлению торцевого сжатия , сопротивлению разрыва и сопротивлению продавливанию . Испытания отшшх

образцов пронедвш до и после затачивания в воде: при этом остаточная влагопрочность оценивалась в процентах к исходным образцам до замачивания. Установлены эмпирические связи • кежду относительным содержанием расплава в массе картона и . его относительной влагопрочность» по кавдому из трех показателей качества

• I • * • ¿V».*. / (П)

где ^ - опнтнай коэффициент качества, зависимый от вида нагрузок и равный соответственно: при сжатии

= 1,53; при разрыве £1,86; при продав-лавашш^^= 2,30.

опытная величина эмаирического уравнения.

Завистисть скорости промткл картона расплавом от временд

МО&ТПГ ПГЩГТ

/4

7 <г

о

ЯЮ

Ю

Г 1'

1* г

* 1

•

4

^

1

г * Время

б в п а н

контента^ 6

при текпе^гуре расплава при^темпе^дтуре расплава

Рис.4

Изменение скорости движения струи расплава по

длине щелевого канала

0,07

V

В V Щ

Г

I

II

*

и

А

1

< / * %

_/ У

1

• - при температуре юс-плава Т = 353 К;

при температуре расплава Т = 373®К;

а- при температуре расплава Т = 393°К.

Рис.5

о,/ о,г 0,5 ол И* м П(//пё ¿¿шет» ачруи, М

_ выраженная в процентах и равная: при сяатии тг>.е.с*- 49,6;?; при разрыве /^.».^^=50,1%; при продав-Л1[вашт/я/е.а./рл?= 183,7/2, Достоверность уравнения (II) обеспечивается в диапазонах варьирования: /всм =45+90^,^,«^,. =45+90! и •^/^#¿'=75+90^.

Эксйеркменгальные зависимости качественных показателей влагопрочности гофрированного картоги от содержания расплава 'показаны на рис.6.

Математическая модель технологического процесса пропитки гофрированного картона парафмо-церезиновым расплавом с применением установки "Каскад" разработана на основе Теоретических исследований и анализа экспериментов, выполненных в дайной работе. Совместном решением системы уравнений относительно Т/гр.

■7Г л ¿Ср-АРф '¿«а У»;

- 14 -

' Л* ¡Г>а ' л - . гп

Г.1 ' е / т

"к - ГПр ЧОХ ) Ь ' Тг/> '

цолучена математическая модель процесса г , » * ^ г*, м т - **

_ 11**.- .гл.] ш)

Данная модель выражает зависимость скорости транспорту установки "Каскад" от независимых параметров процесса и показателя качества готовой продукции. Решение уравнения (13) с применением вычислительного комплекса "Искра-1250" в диапазоне варьирования независимых переменных параметров, аоэтветствурщих условиям прошшленной технологии позволило разработать паке1? номограмм для практического применения при управлении установкой "Каскад". Одна из этих номограмм показана на рис.7.

В пятом разделе описана практическая реализация результатов исследований. Йзло&еш рекомендации по управлению процессом и установкой "Каскад", с целью производства готовой продукции требуемого влагопрачного качества при рациональном использовании па рафипо-це резинового расплава. Сформулированы основные требования для проектировали АСШ-"Пропитка". Промышленная опытная партия тари из гофрированного картона, пропитанного парафино-церезиновым расплавом, изготовлена на Измаильском ЦКЗ и испытана в условиях Саратовского электроагрегатного завода Шиавтопрома СССР. Изготовление озштнор партии тара и ее испытания подтвердили практическую возмож-г ность производства влагопрочной тары методом пропитки парафи-но-церезииовым расплавом и ее использование в народном хозяйстве,

вывода:

1. Теоретически разработан и экспериментально уточнен процесс пропитии гофрированного картона путем орошения его сво-бэднопадаювдш струлш тарафадо-церезинового расплава.

2. Экспериментально изучены реологические свойства расплавов; выявлен механизм пропитки картона, установлены основные эмпирические зависимости и величины, характеризующие процесс пропрткя.

3. Разработана математическая 'модель процесса прощткн, обеспечивающая надекную связь г.;езду параметрам процесса,

Зависимость влагонрочноста гофрированного картона от содержания расплава в его массе

Отюситглбусе содержание расплава / массе чар/пока, % '

Рис.6.

Номограмма для определения скорости транспортера установки "Ласкад" при температуре расплава Г=373°К

*0 Н 5В 40 т 8И ■ Влагопрочность юрра районного ШртопСГ^

Рис.7.

включая качественные показатели готовой продукции. Данная модель применима для инженерных расчетов технологического режима и характеристик оборудования, она также служит штет-тичесшш обеспечением управления процессом.

4. Вазрцботан пакет номограмм для оперативного инженерного пользования, а также дана рекомендации .идя проектирования АСГШ-пропктка применительно к установке "Каскад". Ожидаемый экономический эффект составляет 305,24 тыс.рублей на 10,0 млн.м2 готовой продукции.

• Основные положения диссертация изложены в публикациях:

1. Ьоышлона К.Б.,/штокенко 11.11. ,Букре ев С.А. .Крвчото-

ва С.и. Обработка изделии из гофрированного картона цара&шовыы расплавом// Совершенствование технологии тарноги картона ц кар-тошю11 тиры: ей. тр. Астраханского филиала 1ЛШ&-и.,ЗДЫ>.-с.оО-6&.

2. Смирнова Э.А., Беспалова Е.В. Исследование реологических свойств расплава парафина для пропитки гофрокартона // Химия и технология бумаги: Меквуз.сб.научн,тр.-01. ,1987. -

с.68-70.

3. Беспалова Е.В. Производство влагопрочной тары методом пропитки // Бумажная промышленность.- 1989. - Ы. - с.9,

Подписано н печати 17.10.90 Сдано в производство 22.10 90 Ооъем 1,0 печ.л. Тир.100 Заказ 104 Бесплатно -

Ротапринт ЛГИ ИБП 198092 Ленинград ул.Ив.Черных 4