автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Комплексный параметр процесса обработки волокнистых суспензий безножевым способом в установке типа "струя-преграда"

Ом

На правах рукописи

г О'»

Кутовап Лариса Владимировна

КОМПЛЕКСНЫЙ ПАРАМЕТР ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ БЕЗНОЖЕВЫМ СПОСОБОМ В УСТАНОВКЕ ТИПА "СТРУЯ-ПРЕГРАДА"

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КРАСНОЯРСК- 1998

На правах рукописи

Кутовая Лариса Владимировпа

КОМПЛЕКСНЫЙ ПАРАМЕТР ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ БЕЗНОЖЕВЫМ СПОСОБОМ В УСТАНОВКЕ ТИПА "СТРУЯ-ПРЕГРАДА"

05.21.03 - Технология и оборудование химической . переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КРАСНОЯРСК - 1998

Работа выполнена в Сибирском государственном технологическом университете, г. Красноярск

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор.

Алашкевич Юрий Давидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор.

Агеев Аркадий Яковлевич

кандидат технических наук, профессор Руденко Анатолий Павлович

Ведущая организация: Институт Химии и химической технологии

г. Красноярск

&

Защита состоится « 10» декабря 1998 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.83.01 в Сибирском государственном технологическом университете по адресу 660049, Красноярск, пр. Мира, 82.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирскою государственного технологического университета

Автореферат разослан « & » _1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, доцент

Е. В. Исаева

О К Ш А Я X Л Р А КТ ЕРИ С'Г И К V Р А КОТ Ы

Актуальность проблемы. Целлюлозно-бумажная промышленность является важной отраслью экономики России. От совершенствования технологии иеллюлозно-бумажного производства зависят темпы развития ведущих отраслей промышленное!и. химической, электротехнической, машиностроительной, радиоэлектронной и многих других.

В настоящее время мировая целлюлозно-бумажная промышленность выпускает более 600 видов бумаги различного назначения с самыми разнообразными физико-механическими свойствами. Изготовление такого многотон-нзжного производства бумаги и картона ставит перед исследователями и производственниками задачу наиболее эффективного измельчения целлюлозных материалов с дальнейшим повышением бумагообразующих свойств при использовании современного размалывающего оборудования.

Поставленные задачи требуют ускорения научно-технического прогресса, быстрого внедрения новых,высоко-эффективных видов оборудования, обеспечивающих производство высококачественной продукции.

При произьодствс бумаги и картона важнейшей и наиболее энергоемкой операцией является подготовка полуфабриката к отливу, т.е. размол. Цель которого - развитие в природном волокне комплекса свойств (гибкости, пластичности, удельной поверхности и др.) для придания готовой продукции необходимых качеств.

В настоящее время для размола бумажной массы широкое применение получили ножевые размалывающие машины: модифицированные конические и дисковые мельницы: Механическое воздействие при разработке на этих машинах оказывает влияние на структуру волокна в двух направлениях:

1- фибриллирование волокна с его разрушением;

2-деление его поперек (рубка).

Фибриллирование и разделение волокон способствует упрочнению бумаги, улучшению ее физико-механических свойств. Укорочение же приводит к уменьшению поверхности контакта волокон и соответственно к ухудшению качества бумажного полотна.

В последнее время ведутся исследования в области нетрадиционных безножевых способов воздействия на волокно (ультразвукового, навигационного, гидродинамического с использование ферромагнитных частиц, размола между валами и др.). При обработке такими способами волокна получают развитую сеть межволоконных связей и подвергаются значительно меньшему укорочению и разрушению, чем в ножевых машинах. Отливаемое полотно бумаги имеет более высокие физико-механические показатели.

Создание высокоэффективных безножевых размольных машин с оптимальными параметрами их работы невозможно без объективной оценки качества помола. Имеющиеся отдельные показатели оценки качества помола (градус помола по °ШР, изменение длины волокна, поверхность размола и другие) не дают объективной картины существа процесса. Необходим обобщающий параметр оценки качества помола, который бы объединял в себе отдельные бумагообразующие показатели с физико-механическими характеристиками готовых отливок. Необходима также количественная взаимосвязь между свойствами целлюлозы и свойствами готовой бумаги с учетом технологических, конструктивных и энергосиловых особенностей размольных машин.

Исследования проведены в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ выполняемых кафедрой "Машины и аппараты промышленных технологий" Сибирского государственного технологического университета с 1985 года и по настоящее время, что также подтверждает актуальность темы.

Цель работы заключалась в разработке теоретических и экспериментальных положений по определению комплексного параметра оценки качества помола волокнистой массы и комплексного параметра машины. Определение функциональной зависимости комплексных параметров друг от друга и нахождение функциональных зависимостей основных физико-механических характеристик готового продукта от выше указанных комплексных показателей. Совершенствование процессов размола волокнистых материалов с использованием комплексных параметров оценки качества помола и комплексного параметра машины.

Достоверность результатов. Результаты исследований основаны на фундаментальных положениях системного анализа, теории подобия и размерности и математической статистики. Достоверность полученных результатов рбусловлена использованием методов математической статистики при обработке опытных данных и оценке погрешностей, апробацией основных теоретических положений, моделей и выводов на реальной эксплуатационной информации.

Научная новизна. 1. Впервые определен комплексный параметр работы установки при безножевом способе размола (установка типа "струя-преграда") функционально зависящий от основных конструктивных, технологических и энергосиловых параметров установки.

2. Определен комплексный параметр качества помола волокнистой массы для установки типа "струя-преграда"/функционально зависящий от основных бумагообразующих свойств готового продукта.

I' /. ч ■ т; г г и п 1 ' V11'' !1! '7р [! К'ЛЧССТТ,.1 И КЦ'ИТСрИЯ М.11МИНЫ

Практическая ценность. Практическая ценность заключается в применении основных положении работа в качестве научных и технических методов управления эксплуатационной эффективностью размалывающих машин, н при проектировании вновь создаваемых.

Апробация работы. Результаты работы доложены па следующих иауч-но-ттрактических конференциях: Российской научно-практической конференции "Проблемы химико-лесного комплекса" (Красноярск- 1996 - 1998); научно-практических конференциях "Экологические проблемы Красноярского края " ( Красноярск 1997) и "Достижения науки и техники развитию города Красноярска" (Красноярск 1997); Международной научно-практической конференции ''Будущее России - социально-экономический и экологический аспекты" (Санкт-Петербург 1997).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе б в центральных изданиях.

Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в диссертационной работе., проведены в лаборатории оборудование для размола при кафедре "Машины и аппараты промышленных технологий" Сибирского государственного технологического университета.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 127 наименований, приложения. Объем работы/Л^страниц машинописного текста, включая 29 иллюстраций и 21 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена тенденция развития целлюлозно-бумажного производства в зависимости от вида сырья и совершенствования оборудования. Показаны основные факторы влияющие на физико-механические характеристики готовой бумаги. Отражены основные направления в развитии нетрадиционных методов размола.

В первой главе произведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола волокнистых материалов в безножевых установках типа "струя-преграда", который показывает наличие различных точек зрения на этот процесс. Это объясняется прежде всего самим подходом к выяснению механизма размола в установках данного типа.

Не решен вопрос оценки качества помола волокнистой массы для безножевых размалывающих машин. Сложные явления, происходящие с волокном, трудно охарактеризовать каким-либо одним показателем. Для этого необходим комплекс показателей, каждый из которых представлял бы одно из

наиболее существенных свойств, так как в процессе приготовления бумаги проявляется целый комплекс бумагообразуюших свойств целлюлозных волокон. Об этих свойствах можно судигь по геометрическим параметрам волокон (длине, ширине), их индивидуальной прочности, распределению в них компонентов, отношению волокон к размолу - фибриллированию, укорачивание, водоудержаншо, образованию при отливе коалесцентных и коагуляци-онных структур.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что многочисленные работы в области оценки качества размола волокнистых материалов раскрывают отдельные явления, зачастую противоречивые у ряда исследователей, и не позволяют комплексно оценить качественные и количественные зависимости между физическими свойствами исходного полуфабриката. и свойствами готового продукта.

Существующая практика эксплуатации размалывающего оборудования, с учетом различных взглядов на механизм процесса размолу приводит к выбору основных технологических, конструктивных и энергетических параметров размалывающих установок, исходя из качественной оценки получения готового продукта. Для изменения этих показателей требуется повторение анализа отдельных зависимостей работы установки от качественных показателей готовой бумаги. Такая практика эксплуатации размалывающего оборудования значительно затрудняет регулирование технологического процесса размола полуфабрикатов для заданных видов бумаг. Таким образом, анализ литературных источников по рассматриваемому вопросу показал:

отсутствует обобщающим параметр оценки качества разработки волокнистой массы, который бы объединял в себе ее основные бумагообразующие свойства;

имеющиеся прикладные методы расчетов не учитывают в комплексе всех физических явлений, имеющих место при разработке волокнистых материалов. В результате конструирование и изготовление размольных машин основано не на научно-обоснованной теории, а на накоплении в течение многих лет практических данных, которые для каждого конкретного случая трудно воспроизводимы.

Исходя из этого, в задачу исследований входило определение комплексного параметра качества помола волокнистой массы, функционально зависящего от основных бумагообразующих свойств. Определение комплексного параметра работы установки при безножевом способе размола (установка типа "струя-преграда"), функционально зависящего от основных конструктивных, технологических и энергосшювых параметров установки.

Во мерой глазе показано, "-¡о ."»роцеес размола целлюлозы р размалывающих машинах зависит от их конструктивных и технологических параметров, в свою очередь морфологические свойства волокон также оказывают существенное влияние на размол. Так как получение готового продукта с нужными фичико-мехяпическими показателями в настоящее время в основном решается практическим путем,п работе поставлена задача - найти аналитическую зависимость между основными свойствами бумаги и качеством целлюлозы, полученной в процессе размола. За основные параметры целлюлозы приняты - средняя длина волокна, внешняя удельная поверхность, межволоконные силы связи и время обработки. Для получения аналитической зависимости прочности бумаги от свойств целлюлозы вначале был получен при помощи теории подобия и размерностей безразмерный параметр, который характеризует в совокупности выбранные параметры

К-^, , (1)

и является комплексным параметром качества помола волокнистой массы.

Беленая целлюлоза;

* и-115,4 м/с ■ о=97,1 м/с Небеленая целлюлоза: А 1)=115,4 м/с

• и=97,1 м/с

60 °ШР

Рис. 1. Зависимость комплексного параметра качества помола волокнистой массы (К) от градуса помола (°ШР)

Так как в практике зачастую при оценке качества помола используется показатель градус помола по Шопперу-Риглеру, целесообразно показать зависимость комплексного параметра оценки качества помола волокнистой массы от градуса помола (рис. 1). Из рисунка видно, что комплексный параметр качества хороню описывается уравнением вида

К - а > ь "П1Р.

Анализ полученных зависимостей комплексного параметра оценки качества помола волокнистой массы от градуса помола по Шопперу-Риглеру дал следующие аналитические зависимости:

для беленой целлюлозы при и = 115,4 м/с о = 97,1 м/с

К= 4,85 °ШР - 74 К= 5,15 °ИГР - 69 (2)

для небеленой целлюлозы соответственно

Ю= 3,03 °ШР-55,5 К= 5,03 °ШР - 74,5 (3) Исследование влияния процесса размола на механические свойства бумаги независимо от способа размола, на наш взгляд, целесообразно начать с анализа значения понятия "механические свойства бумаги", которое для большинства видов бумаг ассоциируется с такими свойствами, как сопротивление продавливаиию, разрыву, раздиранию, излому.

Учитывая вышеизложенное, прочностные характеристики бумаги являются функциями следующих основных бумагообразующих параме!ров: I, т.е.

Ь = Г1(с:,8,а,1)-ф1(К), Ра = (,о, 0 = Ф2(К);

и = Г3(/,8,о,0 = ф3(К); Е = и£,5,аЛ) = ч>4(К); (4)

где £ -проекция средней длины волокна, м; Б- внешняя удельная поверхность волокон, м2/кг; с - межволоконные силы связи, Па; I - время размола, с; Ь - разрывная длина, м; и- сопротивление излому; Е- сопротивление раздиранию, Н; Ра - сопротивление продавливаиию, Па; <Р1(К), фг(К), Фз(К), Ф4(К)- некоторая функция, зависящая от безразмерного параметра К.

В результате регрессионного анализа получены уравнения связи между физико-механическими характеристиками готовых отливок и бумагообра-зующими свойствами волокнистой массы.

Разрывная длина для беленой целлюлозы

при о = 115,4 м/с Ь« 1321,90- 10"'5 —^+6-10*^—./,'

I ' '

при и = 97,1 м/с Ь = 2457,40 - 7-Ю16—/2+4-Ю"6-Д^-г

{. ^ (

Для небеленой целлюлозы .

при и= 115,4 м/с Ь = 9169,10-4-10-,5~/2+6-10-6 М^-/,

при и = 97,1 м/с Ь = 8194,90 -4 -10-16-^/2+ 10"6 •/.

( 1 1

Ь 10'-', м

¿4—

1

|

10

30

50

К-107

Рис. 2. Зависимость разрывной длины от комплексного параметра качества помола волокнистой массы Пояснение к графику см. рис. 1

Р„ Г1а

250

50

100

200 К'-107

Рис. 3. Зависимость сопротивления продавливанию от комплексного параметра качества помола волокнистой массы Пояснение к графику см. рис. 1

Сопротивление продавливанию для беленой целлюлозы при о = 115,4 м/с Ра= 16,791п

^•'¡-175,48,

при и = 97,1 м/с Ра=27,66 Ы

ст-5

е )

? [-405,15

Для небеленой целлюлозы при и = 115,4 м/с Ра= 28,55 £п ,/—--- • / - 227,12

а Я

при и - 97,1 м/с Ра= 44,26 £п и

1800

1200

600

<7-Я

-/ -588,28.

100

200 К-10-

Рис. 4. Зависимость сопротивления излому от комплексного параметра качества помола волокнистой массы Пояснение к графику см. рис. 1

Излом или число двойных перегибов для беленой целлюлозы

при и = 115,4 м/с и = 60,65+ 6,0-10"7,- 6-Ю'17- — ,2,

г17 С-Я 2

при о = 97,1 м/с и = 50,44 + 5,МО'7^г"-/ - 4-Ю'1 •—/Для небеленой целлюлозы

прии= 115,4м/с 11=313,79 + 1,1-10"6,/—■/ - Ю"17-—,2

1 ( I

при и = 97,1 м/с и= 260,41 + 4,9 •10'\1- 5-10-17-—,

V (. I

Сопротивление раздиранию для беленой целлюлозы при и=115,4 м/с Е=1332,7-/-310"1°('"5)0'5г0'5'), при и=97,1 м/с Е = 2106,2-е^4-,о"")(<т 5>0'5г0''').

2

Рис. 5. Зависимость сопротивления раздиранию от комплексного параметра качества помола волокнистой массы Пояснение к графику см. рис, 1

Для небеленой целлюлозы при и-115,4 м/с Е=1260,9 .e(-4■^<>~l0(^* ■x)0•íe~^'•5t)^ при о = 97,1 м/с Е = 1720,3• 100,3.

Приведенные, уравнения показывают зависимость основпых прочностных показателей бумаги от бумагообразующих свойств волокнистой массы. Экспериментальные данные и значения, рассчитанные по полученным уравнениям, имеют хорошую сходимость результатов.

В дальнейшей работе было установлено, что процесс размола волокнистой массы в безножевых размалывающих машинах типа "сгруя - преграда" определяется системой параметров 5', р, Е, а, С, °ШР и может быть описан функциональной зависимостью:

(б', р, 1, Е, с1, а, С, ^ШР) = 0 , (5)

где {- функция; 3' - расстояние от насадки до преграды, м; р - импульс движения, кг-м/с; (- время размола, с; Е- удельный расход электроэнергии, Дис/кг; а - диаметр насадки, м; а - угол конусности насадки, градус; С -' концентрация обрабатываемой массы, кг/м'; °ШР - градус помола по Шопие-ру - Риглеру, градус.

Используя теорию подобия и размерностей с учетом 7Г - теоремы из восьми размерных величин, можно составить пять безразмерных комбинаций и зависимость (5) примет вид:

„ , р г 8' с1 г.

Разрешив функциональную зависимость (6) относительно безразмерно-

го параметра

С ■ S

— с учетом экспериментальных данных, был получен ком-

плексный параметр безножевой размольной установки типа "струя-преграда":

p.t

Кы

С-S''-d

Найдена зависимость между комплексным параметром машины и градусом помола по Шопперу-Риглеру

для беленой целлюлозы Км = 21,5-107 (°ШР - 6,9) , (7)

для небеленой целлюлозы Км = 19,6-107 (°ШР - 11,3) , . (8)

Зависимость физико-механических показателей готового продукта от комплексного параметра размалывающей машины показана на рис. 6, 7, 8,9.

При помощи Microsoft Excel был проведен нелинейный регрессионный анализ и получены следующие аналитические зависимости:

Для разрывной длины беленая целлюлоза небеленая целлюлоза

L= 4414,2- in {-—^j - 93624, L= 6913,8-101й

C-ô -d

LT О"3, M

» • беленая целлюлоза ■ - небеленая целлюлоза

8« К„-10!

Рис. 6. Зависимость разрывной длины от комплексного параметра машины Для сопротивления продавливанию

-431,73, Р.= 55,09.^(^1^) -891,23.

IV Г1а

200

4 0

80 Кы-10"1

Рис. 7. Зависимость сопротивления продавливаншо от комплексного параметра машины (пояснение к графику см. рис. 6)

Для числа двойных перегибов

и = 3 .10-

9( р-1 С ■ 5'3-</.

и -310

80 к'-Ю-8

Рис. 8. Зависимость сопротивления излому от комплексного параметра машины (пояснение к графику см. рис. 6)

Для сопротивления раздиранию

Е = 9659,7 - 385,01-1/7[ р'[ ) , Е - 7247,8 - 280,83■ Ы ( , р'\ 1

С ■ о ■ и; \(,-о' -а/

Рис. 9. Зависимость сопротивления раздиранию от комплексного параметра машины (пояснение к графику см. рис. 6)

Учитывая, что зависимость комплексного параметра качества и комплексного параметра машины от градуса помола по Шопперу-Риглеру записываются уравнениями 2, 3, 7, 8 и решая эти уравнения совместно, окончательно получим функциональную связь между этими комплексными пара' метрами:

для беленой целлюлозы К = 2,2-10"к-Км - 41 , для небеленой целлюлозы К ~ 1,5-10"ь-Км -21.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса размола волокнистых суспензий безножевым способом. На основании того, что качество помола при гидродинамической разработке волокон гораздо выше по сравнению с ножевыми способами размола за счет кавитационных явлений, увеличением их гибкости и пластичности, и значительно меньшим укорочением волокна, в работе использовалась комбинированная установка типа "струя -преграда" с подвижной преградой.

Учитывая, что данная установка включает в себя два способа размола (ножевой и безножевой), возможно регулирование доли воздействия того или иного способа, для получения необходимого качества обработки волокна.

Влияние отдельных параметров работы установки па эффективность разработки волокна

Так как размол требует огромного расхода энергии, очень важно, чтобы эта операция проводилась наиболее эффективно. В связи с этим при работе на комбинированной размольной установке типа "струя -преграда" нами было исследовано влияние ее параметров на эффективность разработки волокна:

- скорости .истечения струи,

- тштрнтряпии г.угпеттчии

- расстояние от насадки до преграды.

Экспериментальным путем основываясь на современных способах и средствах измерений было установлено, что с повышением скорости истечения струи интенсивность процесса размола увеличивается, а с ростом концентрации снижается. Так, например, при одном из оптимальных значений расстояния от насадки до преграды 0,1 м, концентрации сульфитной беленой целлюлозы 2 кг/м3, диаметре насадки 2-Ю"3 м, градус помола в зависимости от скорости истечения струи меняется следующим образом: при и = 145 м/с составляет - 70° IIIP, при о = 130,5 м/с - 50° IUP, при о = 115,4 м/с - 48° I1IP, при и = 97,! м/с - 46° ШР, при и = 75 м/с - 30° ШР.

При обработке волокнистой массы концентрацией 1 кг/м3 в течение 400 секунд достигается степень помола - 40° ШР, при 2 кг/м3 - 38° ШР, при 3 кг/м3 - 27° IUP, при 4 кг/м3 - 20" IUP . Объясняется это тем, что при низких концентрациях в месте контакта струи с преградой происходит взаимодействие микростуй кавитационных пузырьков на волокно со всех сторон. С уве-личеготем. концентрации часть волокон в какой-то момепт времени может находиться взаимно перекрытыми и не подвергаться обработке. При увеличении степени помола суспензии удельная поверхность увеличивается, и доля взаимно перекрытых волокон повышается. Этим объясняется замедление интенсивности роста градуса помола.

Из полученных экспериментальных данных прослеживается явная зависимость расстояния от насадки до преграды, как на прирост градуса помола массы по ШР, так и на величину силы удара о преграду.

Например, при скорости истечения струп 115,4 м/с, концентрации волокнистой суспензии 2 кг/м3 и расстоянии от насадки до преграды 8 = 0,1 м достигается градус помола 54,5° ШР, соответственно при тех же рабочих параметрах и расстоянии от насадки до преграды 5'0,2 м - 48,5° ШР, при 5' = 0,3 м - 33° ШР, при о =0,4 м - 25" ШР .

Полученные данные для сульфитной беленой и небеленой целлюлозы показывают, что при изменении параметров работы установки наблюдается изменение бумагообразующих свойств размалываемой массы и физико-механических показателей готовых отливок.

Влияние отдельных параметров работы установки на бумагообразующие показатели волокнистой суспензии

На снижение прочности волокон и изменение бумагообразующих показателей волокнистой массы существенное влияние оказывает скорость исте-

чения столп. Л ля одинаковых по гибкости волокон количество связей зависит от состояния фибриллярной поверхности. Выяснилось, что при прочих равных условиях, скорости истечения струп 130,5 м/с и 40' ШР длина волокна 1,69-10"3 м, межволоконные силы связи - 628 10' Па, внешняя удельная поверхность - 12917 м2/кг, время размола - 462 сек; при скорости истечения струи 115,4 м/с длина волокна 1,70-Ю"3 м, межволоконные силы связи -749-103 Па, внешняя удельная поверхность - 13506 м2/кг, время размола - 420 сек.; при скорости истечения струи 97,1 м/с длина волокна 1.73-10"3 м, межволоконные силы связи - 653-Ю3 Па, внешняя удельная поверхность - 13217 м2/кг, время размола - 560 сек.

Качественные Зависимости изменения бумагообразующих. показателей близки друг другу, практ ически не зависят о г концентрации. Что касается количественных зависимостей, то при изменении концентрации размалываемой массы все показатели с ростом градуса помола по Шопперу-Риглеру меняются. Причем при концентрации С=3 кг/м3 значения бумагообразующих показателей обрабатываемой целлюлозы остаются ниже, чем при концентрации С=1 кг/м3, из-за снижения интенсивности размола.

Результаты экспериментальных данных по исследованию влияния удлинителя и диаметра насадки на разработку волокнистой суспензии показали, что с увеличением градуса помола наблюдается постоянный рост всех показателей, с уменьшением длины волокна. Причем качественные и количественные зависимости бумагообразующих показателей волокнистой массы, независимо от диаметра насадки и величины удлинителя, практически не отличаются друг от друга, что подтверждает правильность выбора рабочих параметров установки.

Так как размол в безножевой установке происходит за счет кавитаци-онного воздействия на волокна, последние подвергаются преимущественному расщеплению (фибрилляции) вдоль их оси, следует ожидать повышения и физико-механических характеристик готовых отливок.

Зависимость физико-механических показателей бумажных отливок от отдельных параметров работы установки

В процессе размола волокнистой массы на механическую прочность изготовляемой бумаги оказывают влияние факторы, действующие в противоположных направлениях. Вначале размола преобладает действие факторов, оказывающих положительное влияние на показатели механической прочности бумаги (увеличение гибкости волокон вследствие набухания, рост сил связи

между волокнами), что сказывается на увеличении основных показателей механической прочное™.

Однако на некотором этапе процесса размола сильно возрастает влияние отрицательного фактора (укорачивание волокон), существенно зависящего от скорости истечения струи. Поэтому происшедшие количественные изменения длины волокон вызывают качественные изменения в развитии основных показателей механической прочности, которые под преобладающим влиянием этого фактора начинают снижаться. Например, при обработке волокнистой суспензии при скорости истечения струн 97,1 м/с значения показателя числа двойных перегибов значительно выше, чем при скорости 130,5 м/с.

Особое влияние длина волокна оказывает на сопротивления раздиранию. Несмотря на незначительное увеличение сопротивления раздиранию в начале размола, общей тенденцией является снижение этого показателя в процессе размола.

На показатель сопротивления продавливанию изменение фактора скорости истечения струи по данным экспериментов не оказывает существенного влияния.

Изменение концентрации оказывает существенное влияние на показатель раздиранию, который с увеличением концентрации падает.

Увеличение площади поперечного сечения насадки положительно сказывается на показателе числа двойных перегибов. Так например, при диаметре насадки 0,002 м данный показатель увеличивается от 180 до 950, тогда как при диаметра насадки 0,0015 м -от 250 до 450.

Таким образом, в зависимости от условий размола можно получить листы бумаги, имеющие принципиально различную структуру и свойства.

В четвертой главе был произведен расчет удельного расхода электроэнергии, который подсчитывался по формуле = М-Дж

МД "ШР ' Т'ШР ' {)

где Ыр. - мощность, потребляемая при размоле, кВт; N3 - мощность, потребляемая при заполнении рабочего цилиндра суспензией, кВт; Тр - время размола, ч; Т3 - время, затраченное на заполнение цилиндра суспензией, ч; М - масса абсолютно сухого волокна, г; А°ШР - прирост градуса помола по Шопперу-Риглеру.

Время размола и затраченное на заполнение'цилиндра суспензией равно

Тр = Т,р-п; (10)

Tj-'ln-n : (И)

где i'i,, - время одного выпуска суспензии из цилиндра; То - время, затраченное на одно заполнение цилиндра суспензией, п количество циклов работы установки. •

Полученные результаты сведены в таблицу. На основании данных построены графики зависимости удельного расхода электроэнергии от концентрации волокнистой суспензии при различных параметрах работы установки.

В результате проведенных экспериментов оказалось возможным опровергнуть традиционное представление о высоких затратах энергии при использовании безножевых способов размола по сравнению с ножевыми. Взаимным варьированием концентрации суспензии, скорости истечения струи, площади поперечного сечения насадки, расстояния от насадки до преграды удалось добиться повышения качества разработки волокон, производительности установки с одновременным значительным снижением затрат электроэнергии со 184,25 до 59,89 МДжЯ-°ШР.

Аналитические зависимости комплексного параметра качества размола волокнистой массы (2, 3), комплексного параметра размольной машины (7, 8), а также функциональные зависимости физико-механических характеристик готового продукта от этих параметров в том виде, в каком они представлены, не совсем удобны для их практического использования. Поэтому появилась необходимость выражения этих аналитических зависимостей при помощи компьютерной техники.

Используя возможности Microsoft Excel,был произведен расчет основных параметров работы размалывающего оборудования в зависимости от заданных качественных показателей готовой бумаги. Применение программы на практике позволит значительно ускорить процесс оценки качества помола волокнистых суспензий, обеспечит прогнозирование необходимого качества готового продукта и ускорит подбор основных технологических, конструктивных и энергетических параметров размалывающего оборудования.

Экономическая целесообразность использования безножевого способа размола на установке m una "струя-преграда " Исходя из экспериментальных данных, после обработки волокнистой суспензии гидродинамическим способом на комбинированной установке типа "струя-преграда" значительно снижаются энергозатраты на размол, по сравнению с данными приведенными в литературе как для безножевых так и для ножевых размалывающих машин. Таким образом, экономия за счет снижения затрат на электроэнергию составит для базового ножевого размалывающего оборудования 2,03 тыс.руб., для проектируемой комбинированной

установки типа "струя-преграда" 1,69 тыс.руб. Срок окупаемости капиталь-hi.iv итюжений I 25 гола

Общие выводы и результаты

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований получен комплексный параметр качества помола волокнистой массы, учитывающий основные бумагообразующие свойства и позволяющий раскрыть физический смысл традиционно используемого показателя качества помола волокнистой массы - градуса помола по Шопперу-Риглеру.

2. Получен комплексный параметр процесса обработки волокнистой суспензии безножевым способом в установке типа "струя-преграда", объединяющий в себе технологические, конструктивные и энергосиловые параметры установки и позволяющий целенаправленно управлять и регулировать процесс размола волокнистых материалов и с новых позиций подойти ^конструированию размольного оборудования.

3. Показана функциональная зависимость физико-механических показателей готового продукта от комплексного параметра размалывающей машины.

4. Установлена функциональная связь между комплексным параметром качества помола массы "К" и комплексным параметром машины "Км".

5. Для практического использования комплексного параметра процесса обработки волокнистой суспензии безножевым способом получены конкретные результаты при подборе основных технологических характеристик размольной машины в зависимости от качественных показателей бумаги. Решена практическая задача использования комплексного параметра машины с использованием оптимизации модели с помощью процедуры поиска решения.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г., Мицкевич Ф.И., Мансурова Л.В. Влияние способа размола на бумагообразующие свойства волокна // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. - С - Петербург. -1996. - С.28-32.

2. Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г., Мансурова Л.В. Зависимость водо-удерживающей способности волокна от способа размола // Тезисы докладов научно-практической конференции "Проблемы химико-лесного комплекса". -Красноярск - 1996 - ч.2, С. 21.

3. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г. Влияние способа размола на внешнюю удельную поверхность волокна // Сборник научных трудов Механического факультета. - Красноярск - 1997 - С. 16-19.

4. Юртзев« Л.В , Ллашкевил (О.Д , Гунбина J1.H. Зависимость водо-удерживающей способности волокна на от способа размола /У Сборник научных трудов Механического факультета. - Красноярск - 1997 - С. 16-19.

5. Алашкевич Ю. Д.,'Юртаева Л.В., Гунбина Л.Н. Влияние скорости истечения cipvn на физико-механические показатели отливок //' Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. - С - Петербург. -1997. - С.54-58.

6. Алашкевич Ю.Д., Юртаева Л.В., Набиева A.A. Снижение загрязняющего действия сточных вод, связанных с процессом размола волокнистых материалов // Тезисы докладов научно-практической конференции "Экологические проблемы Красноярского края "., - Красноярск - 1997 - С. 13.

7. Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г., Юртаева JI.B., Сравнение показателей обработки волокнистой суспензии ножевым и безножевым способами // Тезисы докладов научно-практической конференции "Проблемы Химико-лесного комплекса". - Красноярск - 1997 - ч. 2, С. 13.

8. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г. Зависимость отдельных бумагообразующих свойств волокнистой массы от скорости истечения струи, концентрации волокнистой суспензии. // Депонирование в ВИНИТИ, М. - 1997 - 12 с.

9. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г. Зависимость физико-механических показателей бумажных отливок от длины волокна. // Депонирование в ВИНИТИ, М. - 1997 - 14 с.

10. Соотношение технологического процесса производства бумаги с загрязнением окружающей среды. // Тезисы докладов научно-практической конференции "Достижения науки и техники развитию города Красноярска". -Красноярск - 1997 - С. 248.

11. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г. Влияние способа обработки волокнистых полуфабрикатов при получении бумаги на степень загрязнения сточных вод. // Тезисы . докладов международной научно-практической конференции "Будущее России - социально-экономический-и экологический аспекты". - С.-Петербург. - 1997-С. 153.

12. Юртаева Л.В., Алашкевич Ю.Д., Васютин В.Г. Влияние длины волокна на механические показатели бумажных отливок // Известия высших учебных заведений: Химия и химическая технология. - М. - 1998. - Т. 41. -Вып. 5.

Изд.й.19. Титэак ЮОэкз.Объем 1,25п.л. .Лицензия JIP tü 020346.20.01.1997.

Тип. СибГТУ, Злх



Сибирский государственный технологический университет

На правах рукописи

Кутовая Лариса Владимировна

КОМПЛЕКСНЫЙ ПАРАМЕТР ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ БЕЗНОЖЕВЫМ СПОСОБОМ В УСТАНОВКЕ ТИПА «СТРУЯ-ПРЕГРАДА»

05.21.03- Технология и оборудование химической

переработки древесины; химия древесины

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор Алашкевич Ю.Д.

Красноярск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ 8

1.1 Обработка волокнистой суспензии в размалывающих машинах, особенности гидродинамического размола 8

1.2 Способность волокнистых материалов к размолу 14

1.3 Обоснование выбора основных физико-механических показателей волокнистой суспензии 21

1.4 Способы оценки качества обработки волокнистых материалов 31

2. Комплексный параметр процесса обработки волокнистой суспензии безножевым способом в установке типа "струя- преграда" 39

2.1 Комплексный параметр оценки качества при обработке

волокнистой суспензии в установке типа "струя-преграда" 39

2.1.1. Зависимость комплексного параметра качества помола массы от градуса помола по Шопперу-Риглеру 43

2.1.2. Влияние комплексного параметра оценки качества помола волокнистой массы на физико-механические показатели готового продукта 46

2.2. Определение комплексного параметра при безножевом

способе обработки волокнистых суспензий 53

2.2.1. Зависимость физико-механических показателей готового продукта от

комплексного параметра размалывающей машины 62

2.3 Функциональная связь между комплексным параметром оценки

качества помола массы "К" и комплексным параметром машины "Км" 66

3. Экспериментальная часть 68

3.1. Методика проведения эксперимента 68

3.1.1. Определение бумагообразующих показателей целлюлозы 75

3.1.2. Определение механических характеристик бумаги 78

3.2. Описание экспериментальной установки.

Порядок проведения эксперимента 81

3.3. Обработка результатов эксперимента 85

3.4. Результаты экспериментальных исследований 88 4. Практическая реализация 102

4.1. Энергозатраты при разработке волокнистой суспензии в

безножевой установке типа "струя-преграда" 102

4.2. Решение практической задачи зависимости основных

энергосиловых, конструктивных и технологических характеристик установки от качественных показателей готового продукта с использованием оптимизации модели с помощью процедуры

поиска решения 105 4.3. Экономическая целесообразность использования безножевого

способа размола на установке типа "струя-преграда" 110

Заключение 114

Литература 115

Приложение 126

ВВЕДЕНИЕ

Современная целлюлозно-бумажная промышленность является одной из важнейших отраслей народного хозяйства страны. Без бумаги практически не может обойтись ни культурная, ни хозяйственная, ни производственная сфера деятельности современного человека.

От совершенствования технологии целлюлозно-бумажного производства зависят темпы развития ведущих отраслей промышленности: химической, электротехнической, машиностроительной, радиоэлектронной и многих других. В нашей стране имеются все необходимые условия для развития целлюлозно-бумажной промышленности: огромные лесные и энергетические ресурсы, мощная система рек и озер с большими запасами воды, а также достаточная машиностроительная база для производства бумагоделательного оборудования.

В настоящее время мировая целлюлозно-бумажная промышленность выпускает более 600 видов бумаги различного назначения с самыми разнообразными физико-механическими свойствами [1]. Изготовление такого многотоннажного производства бумаги и картона ставит перед исследователями и производственниками задачу наиболее эффектного измельчения целлюлозных материалов с дальнейшим повышением бумагообразующих свойств при использовании современного размалывающего оборудования. По данным экспертов ФАО при ООН к 2000 году ожидается существенное увеличение производства волокнистых материалов [2].

Независимо от вида используемой целлюлозы продолжает оставаться актуальной проблема максимального сокращения ее содержания в композиции бумаги с заменой целлюлозы древесной массой, поскольку суммарный расход электрической и тепловой энергии на выработку целлюлозы в два раза больше, а выход волокон в производстве сульфитной и сульфатной видов целлюлозы почти в два раза меньше, чем в производстве древесной массы [3].

Поставленные задачи требуют ускорения научно-технического прогресса, быстрого внедрения новых высоко эффективных видов оборудования, обеспечивающих производство высококачественной продукции.

В целлюлозно-бумажном производстве при изготовлении бумаги важное место занимают процессы, связанные с физико-механической обработкой целлюлозных волокон: размол бумажной массы, формование бумажного листа, его мокрое прессование, крепирование, каландрирование и резка бумаги, промывка и сортирование целлюлозной массы и многие другие. Обобщение материала по физико-механическим свойствам природных целлюлозных волокон содействует более глубокому и всестороннему изучению процессов, основанных на физико-механической обработке целлюлозных волокон, а следовательно, и способствует более успешной разработке новой технологии производства различных материалов с нужным комплексом свойств.

В производстве бумаги и картона размол волокнистых полуфабрикатов имеет очень важное значение. Он влияет на процесс изготовления и свойства готовой продукции и во многом определяет экономичность ее производства. Особое значение процесс размола приобрел в связи с расширением использования полуфабрикатов из лиственной и низкокачественной хвойной древесины. В производстве волокнистых полуфабрикатов высокого выхода размол стал одной из важнейших стадий процесса. В целлюлозно-бумажной промышленности размол волокнистых материалов - наиболее энергоемкий технологический процесс и успех борьбы за экономию электроэнергии во многом зависит от того, насколько совершенны размалывающее оборудование и процесс размола.

Исследованию процесса размола, совершенствованию его технологии большое внимание уделяется в нашей стране и за рубежом. Достигнуты значительные успехи в изучении и использовании в промышленности основных факторов размола.

Количество переменных факторов, оказывающих влияние на прочность бумаги весьма велико, но они могут быть разбиты на две основные группы:

факторы, определяемые исходным волокнистым материалом и конструктивными параметрами размалывающих машин; факторы, определяемые технологическим процессом изготовления бумаги.

О зависимости между свойствами исходных волокнистых материалов и готовой бумаги в специальной литературе высказывалось немало различных взглядов, однако четко выраженной зависимости еще не установлено. Исходя из анализа литературных данных [4, 5, 6, 7] можно сказать, что прочность бумаги в основном зависит от:

1. сил сцепления волокон между собой и площади поверхности волокон, на которой она действует;

2. прочности волокон, их гибкости и размеров;

3. расположения волокон в бумаге.

Расположение волокон в бумаге оказывает влияние на поверхность их взаимного соприкосновения и следовательно на общую величину сил связи между волокнами. Расположение волокон в бумаге можно считать самостоятельным фактором, определяющим прочность бумаги.

Все другие многочисленные факторы, оказывающие влияние на прочность бумаги в конечном счете проявляют свое действие через основные указанные факторы.

Исходя из выше сказанного качество волокнистого материала может быть охарактеризовано такими показателями : I - длиной волокна, 8-внешней удельной поверхностью, а-межволоконными силами связи и видом целлюлозы.

На изменение свойств волокна существенное влияние оказывает совокупность параметров размалывающего оборудования. К основным показателям характеризующим конструктивные и технологические параметры размольной машины можно отнести :

(1)

V п;

где Б- размалывающая поверхность;

8 - расстояние между дисками;

Вк - удельная нагрузка на кромки ножа;

Ь и Ь - ширина и глубина ячейки соответственно;

V- окружная скорость вращения диска.

В процессе размола в современных ножевых машинах наряду с развитием межволоконных сил связи неизбежно подвергаются рубке и раздавливанию волокна, что в конечном итоге приводит к снижению прочностных показателей готовой продукции и значительно затрудняет использование в производстве ко-ротковолокнистых полуфабрикатов. Эти причины вызвали необходимость поиска новых более эффективных методов размола волокнистых полуфабрикатов.

В настоящее время ведутся исследования в области нетрадиционных безножевых способов воздействия на волокно (ультразвукового, кавитационного, гидродинамического, с использованием ферромагнитных частиц, размола между валами и других). При обработке такими способами волокна получают развитую сеть межволоконных связей и подвергаются значительно меньшему укорочению и разрушению, чем в ножевых машинах. Отливаемое полотно бумаги имеет более высокие физико-механические показатели.

Создание высокоэффективных безножевых размольных машин с оптимальными параметрами их работы невозможно без объективной оценки качества помола. Имеющиеся отдельные показатели оценки качества помола (градус помола по °ШР, изменение длины волокна, поверхность размола и другие) не дают объективной картины существа процесса. Необходим обобщающий параметр оценки качества помола, который бы объединял в себе отдельные бумаго-образующие показатели с физико-механическими характеристиками готовых отливок. Необходима также количественная взаимосвязь между свойствами целлюлозы и свойствами готовой бумаги с учетом технологических и конструктивных особенностей размольных машин.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ

В настоящее время проведен большой объем исследований в области процессов размола волокнистых материалов и совершенствование конструктивных особенностей размольных машин как у нас в стране, так и за рубежом. Однако все эти работы носят разрозненный характер и решают отдельные, частные задачи.

Поэтому целью настоящего обзора является систематизация исследований в этой области и использование результатов исследований для совершенствования: способов оценки качества помола волокнистых полуфабрикатов, технологических, конструктивных и энергосиловых параметров размалывающих машин для улучшения физико-механических показателей и бумагообразующих свойств волокнистых материалов.

1.1 Обработка волокнистой суспензии в размалывающих машинах, особенности гидродинамического размола

Размалывающее оборудование предназначено для разделения различных полуфабрикатов на волокна, измельчения волокон и сообщения им определенных свойств. В зависимости от способа производства волокнистых полуфабрикатов (механический, химико-механический или химический), исходного состояния сырья и с учетом переработки вторичного сырья применяются различные виды ножевого и безножевого размалывающего оборудования. К ножевым машинам относятся: дисковые мельницы различного исполнения, конические мельницы, роллы, дефибреры, молотковые мельницы, гидроразбиватели, пуль-сационные мельницы [8, 9, 10]. Безножевые делятся на машины типа струя-преграда, роторо-пульсационные, акустические и кавитационные.

Использование ножевых машин не привело к существенному снижению энергоемкости процесса размола в общем расходе энергии при производстве бумаги. Например, размольно - подготовительные отделы, оснащенные дисковыми и коническими мельницами, потребляют до 75 % электроэнергии бумажных фабрик, а эффективность размола от затрачиваемой энергии, по теоретическим расчетам, составляет около 0,1 % [ 11 ].

В конических и дисковых мельницах основное размалывающее действие происходит в зазоре между подвижными ножами ротора и неподвижными ножами статора. Однако вследствие больших окружных скоростей размалывающих органов этих машин и избыточного давления возникают предпосылки существования в потоках значительно больших напряжений сдвига [12], переменных давлений и более интенсивных ударов о подвижные и неподвижные элементы машины, целлюлозные волокна подвергаются сильным рубящим воздействиям и раздавливанию, что в конечном итоге приводит к снижению прочностных показателей готовой продукции и значительно затрудняет использование в производстве коротковолокнистых лиственных пород древесины.

Безножевой же размол, по сравнению с ножевым, обеспечивает более мягкий, щадящий режим обработки, что особенно важно для волокон, которые уже однажды претерпели стадию ножевого размола. Поэтому наряду с усовершенствованием ножевых машин, исследования в области безножевых способов размола являются актуальными.

При ножевом и безножевом способе размола имеют место гидродинамические процессы. Для ножевых машин при малых зазорах основную роль играет механическое воздействие на волокно набегающей кромки ножа ротора на нож статора. При больших зазорах между ножами ротора и статора наряду с механическим воздействиями на волокно ножевой гарнитуры начинают оказывать наибольшее влияние гидродинамические составляющие:

1. усилие возникающее при касательных напряжениях сдвига в зазоре между ножами ротора и статора;

2. создание вихревых образований в потоке волокнистой суспензии, возникающих в ячейках между ножами ротора и статора. Появление кавитацион-ного эффекта при турболизации потока.

Результатом этих явлений является практическое использование [13] и прогнозирование геометрических параметров ножевой гарнитуры (соотношение высоты ножа к ширине ячейки между соседними ножами) на гидродинамические факторы процесса размола в ножевых машинах. Кроме геометрических факторов гарнитуры существенное влияние оказывает зазор между ножами ротора и статора и скорость вращения ротора. С изменением этих параметров можно добиться увеличения гидродинамического эффекта размола по сравнению с механическим воздействием на волокно и следовательно оказывать влияние на качество размола волокнистых полуфабрикатов.

Наиболее эффективного улучшения качественных показателей процесса размола можно добиться с использованием установок безножевого размола типа "струя-преграда".

Безножевые аппараты типа "струя-преграда" занимают значительное место при исследованиях оптимальных условий процесса разработки волокнистых суспензий для получения качественных видов бумаг. Как считают исследователи [9, 14, 15], в такого рода аппаратах получается масса с более разработанными волокнами без значительного укорочения. Большая работа в этом направлении была проделана В.Г. Марковым [16], а затем продолжена и расширена Алашкевичем Ю.Д. [17], Васютиным В.Г. [18], которые создали специальные установки для размола волокнистой массы безножевым способом. В этих установках волокнистая масса различной концентрации подавалась из насадки на преграду.

Исследуя взаимодействие струи суспензии с преградой, Марков В.Г. отмечает, что механизм разработки волокна данным способом заключается в трении волокон о преграду при обтекании ее и между собой, а удар о препятствие и взаимное столкновение не имеют существенного значения.

Авторы [19, 20] утверждают, что при разработке суспензии данным способом волокна окружены водой, и размола при их трении друг о друга практически не будет, а воздействие преграды возможно лишь на ту незначительную часть волокон, которые давлением струи прижимаются к последней и двигаются по ее поверхности. Предположительным механизмом размола они считают удар о поверхность преграды и возникающую при этом деформацию, а также действие на волокна кумулятивных струек, образующихся в жидкости при захлопывании парогазовых пузырьков или кавитации.

В работе Алашкевича Ю.Д. показаны качественные изменения истечения струи из насадки, в зависимости от диаметра насадки и силы удара струи о преграду. Показано, что при ударе струи о преграду возникают кавитационные явления, предположения о которых делают также и авторы [18, 20, 21, 22]. Эффективное воздействие на волокно они оказывают при скоростях больших, чем в известных установках типа "струя-преграда".

При использовании установок данного типа разработка волокнистой суспензии может происходить за счет касательных напряжений сдвига при течении суспензии в удлинителе и насадке, за счет удара струи суспензии о преграду при истечении ее из насадки, и за счет кавитационного эффекта при течении жидкости по преграде.

Явление кавитации заключается в образовании разрывов спл