автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Основы теории диспергирования бумажной массы при сортировании и напуске на бумагоделательную машину.

На правах рукописи

ТИХОНОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ ПРИ СОРТИРОВАНИИ И НАПУСКЕ НА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНУЮ МАШИНУ

05.21.03 — технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 4 янв т

Санкт-Петербург - 2012

005048759

005048759

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Куров Виктор Сергеевич Официальные оппоненты: Смолин Александр Семенович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», заведующий кафедрой «Технология бумаги и картона»;

Санников Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», заведующий кафедрой «Машины и оборудование целлюлозно-бумажной промышленности»;

Руденко Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», заведующий кафедрой «Технология конструкционных материалов».

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский

институт целлюлозно-бумажной промышленности (ОАО «ВНИИБ»), г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 26 марта 2013 г. в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4, зал заседаний Ученого совета (А-231).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров».

Автореферат разослан « -// » января 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.231.01, "

доктор технических наук сУк^/^Я^бИ Л.Г. Махотина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений технического прогресса в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) является инновационный путь развития отрасли на основе создания новых ресурсосберегающих экологически чистых технологий и оборудования для получения наукоемких видов бумаги и картона с высокой добавленной стоимостью. Особое значение при этом придается повышению эффективности производства и качеству готовой продукции при экономном и рациональном использовании сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов.

Для ЦБП одним из путей решения этих задач является повышение концентрации бумажной массы при напуске на сетку бумагоделательной машины (БДМ), что позволяет сократить длину сеточных частей, расходы оборотной воды, габариты и мощность вспомогательного оборудования. Однако, повышение концентрации при напуске приводит к ухудшению качества готовой продукции вследствие снижения степени дисперсности бумажной массы. Создание принципиально новых конструкций напускных устройств и модернизация существующих сдерживается из-за отсутствия достаточно развитой теории процесса диспергирования бумажной массы в проточных каналах напорных ящиков при изменении ее концентрации и скорости БДМ. Особенно это актуально для напускных устройств низкоскоростных машин, конструкции которых не обеспечивают при повышении концентрации массы как надлежащий уровень ее дисперсности, так и профиль бумажного полотна с минимальными отклонениями массы м2 от заданного значения.

Другим не менее важным аспектом ресурсо- и энергосбережения является увеличение содержания в композиционных составах бумажной массы вторичного волокнистого компонента на основе макулатурной массы взамен дорогостоящего первичного волокнистого материала. Однако, качество бумажной массы, полученной с использованием макулатуры, ухудшается в процессе многократных циклов переработки. Кроме того, такая бумажная масса загрязнена и содержит целый ряд посторонних включений различного происхождения: от тяжелых твердых частиц (песок, метал, стекло) до легкодеформируемых клейких частиц (воск, битум, латексы), называемых фракцией "стоков" (БЙсИез). Наиболее трудной и далеко нерешенной проблемой является процесс сортирования массы, содержащей стики, которые под действием гидродинамических усилий, создаваемых роторами сортирующего оборудования, деформируясь и разрушаясь проходят через узкие отверстия и щели сит, что приводит к образованию многочисленных дефектов в бумажном полотне, обрывам на бумагоделательной машине и к повышенному износу одежды

машин. Ключевым фактором повышения эффективности сортирования стиков является оптимизация процесса диспергирования массы, обеспечивающая свободный проход волокон через сито и максимальное отделение от них включений при минимальном их деформировании. Теоретическое обоснование процессов диспергирования при сортировании практически отсутствует, что сдерживает повышение эффективности сортирующего оборудования в технологических потоках ЦБП.

Поэтому создание теоретических основ процесса диспергирования бумажной массы при сортировании и напуске на БДМ, научно обоснованных методов расчета и проектирования гидравлического оборудования массоподводящих систем является крупной научной проблемой, имеющей важное значение для целлюлозно-бумажной и смежных отраслей промышленности.

Цель работы. Разработка и реализация комплекса теоретических положений и практических рекомендаций повышения эффективности и стабильности работы сортирующего и массонапускного оборудования БДМ для выработки бумаги и картона высокого качества.

Научная новизна.

1. Разработана обобщенная реологическая модель бумажной массы, связывающая вязкость с градиентом скорости, концентрацией и степенью дисперсности.

2. Установлено, что обобщенная реологическая модель является теоретическим обоснованием гидродинамического принципа измерения концентрации массы.

3. Предложена физическая и математическая модель пристеночного распределения скорости для бумажной массы переменной концентрации в турбулентном режиме, на основе которой для сдвигового течения получены зависимости напряжений от среднего градиента скорости при переменной концентрации, а также зависимости интенсивности турбулентности и степени дисперсности массы от числа Рейнольдса.

4. Разработана теория диспергирования бумажной массы в элементах турбулентных напорных ящиков, позволяющая прогнозировать зависимость ее дисперсности при напуске на сеточный стол от концентрации и скорости БДМ.

5. Для напорных сортировок получены теоретическая картина распределения концентрации массы и включений при их движении вдоль оси ситового барабана и теоретическая зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта, являющаяся основным технологическим показателем работы сортировки.

6. Определены теоретические зависимости степени дисперсности массы в сортировке при ее движении вдоль оси ситового барабана с гладким и

профильным ситом от входной концентрации, окружной скорости ротора и коэффициента реджекта.

7. На основании разработанных теоретических концепций с учетом анализа негативных факторов предложены и испытаны принципиально новые конструкции: сортировки, обеспечивающей высокую эффективность сортирования фракции стиков; напорного ящика для низкоскоростных машин с высокой степенью дисперсности и равномерности профиля скорости, выходящей из него массы; измерителя концентрации массы высокой точности измерения при переменном расходе массы в технологических линиях.

8. Разработан инженерный гидромеханический метод расчета, позволяющий прогнозировать степень дисперсности бумажной массы, при оптимизации работы действующего и проектируемого напускного и сортирующего оборудования ЦБП.

Основные методические положения работы. Разработки теоретических концепций базировались на основных положениях гидродинамики неньютоновских жидкостей и моделях турбулентности пристеночных течений. Исследования проводились на полупромышленных и промышленных образцах, а характеристики турбулентности измерялись пьезокерамическими датчиками, разработанными в институте тепломассообмена имени Лыкова, г. Минск. Концентрация массы и включений определялись по методикам соответствующих ГОСТов. Для аналитического и численного определения параметров течений использовались компьютерные программы «MatLab» и «Kosmos».

Практическая ценность работы. Предложен инженерный гидромеханический метод расчета дня проектных и конструкторских организаций, позволяющий проводить прогнозирование изменения степени дисперсности бумажной массы при создании перспективных и реконструкции действующих машин и аппаратов массоподводящих систем с целью обеспечения выработки бумаги и картона высокого качества.

Предложен инженерный метод для расчета конструктивных параметров гидромеханических измерителей концентрации массы с целью её стабилизации в технологических линиях. Разработана методика, позволяющая по нескольким экспериментальным точкам определить зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта и концентрации массы с целью оптимизации работы сортирующего оборудования.

Реализация работы в промышленности. Теоретические разработки, изложенные в диссертации, используются в практике проектно-конструкторских работ ЦНИИБуммаш-инженеринг, а также нашли воплощение в новых промышленных образцах сортирующего оборудования и измерителя концентрации

бумажной массы на АОЗТ «Завод Картонтоль», полупромышленной конструкции напорного ящика, успешно освоенного на Ингурском ЦБК для оптимизации условий массоподачи и массонапуска. Результаты научных исследований применяются в учебном процессе подготовки инженерных кадров и институте повышения квалификации инженерно-технических работников целлюлозно-бумажной промышленности «Крона».

Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались и получили положительную оценку на Международном коллоквиуме по реологии, г. Дрезден, Германия, 1990 г.; Международной конференции «Научные основы прогресса технологии производства бумаги», г. Санкт-Петербург, 1991 г.; Научно-техническом семинаре фирмы «Белойт-Фампа», г. Санкт-Петербург, 1992 г.; У-й международной конференции «ПАП-ФОР», г. Санкт-Петербург, 1998 г.; научно-практической конференции «Современная технология и оборудование для подготовки массы при производстве бумаги и картона», г. Санкт-Петербург, 2002 г.; УП-й международной конференции «ПАП-ФОР-2002», г. Санкт-Петербург, 2002 г.; международной конференции «ЦБП России - взгляд в будущее», г. Санкт-Петербург, 2006 г.; международной научно-практической конференции «Модернизация и автоматизация технологических процессов производства волокнистых полуфабрикатов, бумаги, картона и гофротары», г. Санкт-Петербург, 2006 г.; международной научно-практической конференции «Современные технологии и оборудование промывки, сортирования и размола волокнистых масс в ЦБП», г. Санкт-Петербург, 2007 г.; П-й международной научно-практической конференции «Гофрокартон от сырья до печати», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; международной конференции «Современные технологии и системы подготовки бумажной массы», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; 1У-й международной научно-практической конференции «Современные тенденции в процессах массоподготовки», г. Санкт-Петербург, 2011 г.

Публикации. По результатам выполнения теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 48 печатных работ, включая 12 статей в отечественных журналах, утвержденных ВАК РФ, 2 статьи в зарубежных реферируемых журналах, 1 монографию, 18 патентов РФ и авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 266 наименований, 148 рисунков, 25 таблиц. Объем диссертации 338 страниц.

Автор защищает:

-обобщенную реологическую модель бумажной массы, учитывающую концентрацию как параметр и связывающую изменение вязкости со степенью дисперсности;

- математическую модель пристеночного распределения скорости для бумажной массы переменной концентрации в турбулентном режиме течения и на ее основе характеристики турбулентного сдвигового течения: зависимость напряжений от среднего градиента скорости и концентрации, зависимости интенсивности турбулентности и степени дисперсности массы от числа Рейнольдса;

- теорию диспергирования бумажной массы в элементах турбулентных напорных ящиков: трубках, диффузорном генераторе турбулентности, конфузорном канале, напускной губе и струе опускающейся на сетку машины;

- аналитическую модель изменения концентрации массы и включений вдоль оси ситового барабана напорных сортировок и на ее основе зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта;

- теорию диспергирования при сортировании массы высокой и низкой концентрации на гладких и профильных ситах, связывающую распределение степени дисперсности массы по оси ситового барабана со скоростью вращения ротора, входной концентрацией и коэффициентом реджекта;

- новые конструкции сортировки, напорного ящика для низкоскоростных машин, измерителя концентрации массы;

- инженерный гидромеханический метод расчета, позволяющий прогнозировать степень дисперсности бумажной массы с целью оптимизации работы действующего и проектируемого напускного и сортирующего оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы для ЦБП, заключающаяся в том, что степень дисперсности бумажной массы является одним из ключевых факторов как в процессах ее подготовки, так и при напуске на сетку БДМ, обеспечивающих качество готовой продукции.

В первой главе приведен критический анализ состояния теоретических и экспериментальных исследований в области диспергирования бумажной массы на различных стадиях ее подготовки, заканчивая напуском на сетку. Проведен анализ технологических факторов, определяющих основные показатели эффективности работы современных конструкцш"! сортировок и напорных ящиков. На основании проведенного анализа работ зарубежных (Gooding R., Kerekes R., Dodson Т., Duffi G.) и российских (Терентьев O.A., Александров A.B., Смолин A.C., Федоров O.K., Руденко А.П., Тотухов Ю.А., Климов В.И.,

Смирнова Э.А. и др.) ученых, внесших большой вклад в развитие теории процессов, связанных с диспергированием бумажной массы, сформулированы цели и задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена раскрытию механизма связи между уровнем дисперсности бумажной массы переменной концентрации и её реологическими параметрами в ламинарном режиме сдвигового течения, в котором напряжения сдвига постоянны во всех диапазонах градиентов скоростей, за исключением области малых градиентов, где имеет место структурный режим течения.

Опираясь на гипотезу Э.Л. Акима, что для любой концентрации массы С% фиксированной композиции существует область градиентов скорости ул < у < у0, в которой она движется подобно ньютоновской жидкости, меняя свою вязкость от наибольшей ньютоновской вязкости цл до наименьшей ца, остающейся в дальнейшем практически постоянной, зависимость вязкости от градиента скорости можно представить:

f - М" при ул < У < Ко;

а* = (z^ -

До \Гл' '

ÍÍ = Но при у > у0; ц0 — а • С1, у0 = ау ' Сл ПРИ С > 0,5% ; — с _ с

^ _ Ао-С+Во ~~ 0/7-С+0.4 '

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Для малых градиентов скорости, где имеет место структурный режим течения, зависимость вязкости от градиента описывается предложенной зависимостью:

^=(1-Кн)(2-Д + Кн-^ при 0 < у < ул. (6)

Дл ^ гл' У

Исходя из (1)-(6) реологические уравнения для бумажной массы имеют вид:

^ = Кн + (1-Кн)(2-£)-^ при 0<у<ул; (7)

тл х Ул/ 7л

± = " при ул < у < у0; (8)

тл кУлу

= при у0 < у < ур; (9)

где тн - начальное напряжение, при котором масса приобретает текучесть; гл - напряжение при котором масса приобретает свойства ньютоновской жидкости, соответствующей наибольшей ньютоновской вязкости; т0 - напряжение соответствующее градиенту скорости у0.

Для определения связи между характерными параметрами у0, Ул, Ио, тл и т0 рассмотрим схему дисперпфования флоккулы в сдвиговом течении (рис. 1).

Рис. 1. Схема диспергирования флоккулы в ламинарном сдвиговом течении

При достижении градиентом скорости значения ул заканчивается структурный процесс диспергирования массы, определяемый трением флоккул друг о друга, а распавшиеся до размера Ьл флоккулы, окруженные свободными волокнами, получают свободу перемещения, что согласно положениям теории многофазных сред соответствует наибольшей ньютоновской вязкости массы. Градиент скорости обуславливает возникновение относительной скорости флоккулы и потока АУ{ и, тем самым, возникновение на гранях флоккул силы Рр, а на боковой поверхности силы суммарное воздействие которых приводит к возникновению во флоккуле наиболее опасных напряжений т, действующих в плоскостях отстоящих от граней флоккулы на расстоянии половины длины волокна 1/2. При увеличении этих напряжений до значения сил сцепления волокон во флоккуле тл волокна срываются с ее поверхности и размер флоккулы Ь уменьшается, вследствие чего вязкость массы постепенно снижается. Вязкость снижается до значения наименьшей ньютоновской вязкости д0, соответствующей градиенту у0, при котором размер флоккул Ь0 становится незначительным и практически на вязкость уже не влияет. Вследствие одновременного снижения размера флоккул и вязкости с ростом градиента скорости в диапазоне ул < у <у0, число в относительном движении

флоккулы и волокон, а также соотношение размеров флоккул — остаются

ь0

постоянными:

dV

У r=W

1/2

Ref =

p-AVfb _ р-Ъ2 у II 4д

b i

= const, 7й = т/Bf = const.

"Л

(11)

Из (2), (4) и (11) получаем соотношение между наибольшей и наименьшей ньютоновской вязкостью, определяющееся соотношением размеров флоккул, при этом устанавливается связь между характерными реологическими параметрами и функциональная зависимость размера флоккул отнесенного к длине волокна Ъ/1 от градиента скорости в диапазоне ул < у < у0:

2 ф

МО = = В1+«Р (12)

Ил \ЬЛУ г

1

— = ^ = ^ = = ^ = (13)

Ул 1 Но а Рл

1+<р

т = т- (?)2- (14)

В таблице приведены значения реологических параметров неразмолотых сульфитной (СФИ) и сульфатной (СФА) небеленых целлюлоз различной концентрации определенных по вышеприведенным формулам на основании экспериментальных данных.

Значение реологических параметров СФИ и СФА

СФИ ^о = 1,4915 • Ю-2 • С125; Р„ = 8380; В, = 0,15

с, % к„ V Но, Па-с Цл, Па-с Уо. 1/с Ул, 1/с УР, 1/с т0, Па тл, Па

0,7 0,248 0,787 9,55-10"3 2,203-10"2 80,027 27,673 152,797 0,764 0,609

2 0,408 1,111 3,547-10"2 9,634-Ю"2 297,273 121,026 567,58 10,545 11,653

3 0,466 1,2 5,889-Ю"2 0,1658 493,482 208,338 942,208 29,06 34,53

4 0,494 1,25 8,437-Ю'2 0,2422 707,038 304,274 1349,95 59,654 73,654

5 0,516 1,282 0,1115 0,3239 934,372 406,903 1784 104,182 131,718

СФА Мо = 1,7608 • Ю-2 • С1'36; Р0 = 8160; В = 0,13

С, % к„ V цй, Па-с Ил, Па-с Уо. 1/с Ул, 1/с УР, 1/с т0,Па тл, Па

0,7 0,248 0,787 1,084-Ю"2 2,662-10"2 88,454 28,242 173,44 0,9588 0,752

2 0,408 1,111 4,514-Ю"2 0,1323 368,808 140,308 723,15 16,669 18,563

3 0,462 1,2 7,845-Ю"2 0,2387 640,155 253,24 1255,2 50,22 60,448

4 0,494 1,25 0,116 0,3603 946,677 382,299 2185,6 109,814 137,742

5 0,516 1,282 0,1574 0,4943 1282,33 524,491 2513,6 201,839 259,256

Согласно значениям таблицы на рис. 2 представлены зависимости вязкости СФИ и СФА от градиента скорости при фиксированных значениях концентрации, определённые по формулам (1), (3) и (6). На рис. 3 представлены зависимости вязкости СФИ и СФА от концентрации при фиксированных

значениях градиента скорости. Штриховая линия на рис.3 соответствует переходу от наибольшей к наименьшей ньютоновской вязкости. Реологические зависимости (7)-(9) показаны на рис.4.

200 400 600 800 1000 Градиент скорости, 1/с

200 400 600 800 1000 1200 1400 Градиент скорости, 1/с

Рис. 2. Зависимость вязкости бумажной массы различной концентрации от градиента скорости

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4,5 Концентрация массы, %

1 1.5 2 2.5 3 3.5 Концентрация массы. 1

Рис.

3. Зависимость вязкости бумажной массы от концентрации различных градиентах скорости

при

400 800 1200 1600 2000 Градиент скорости, 1/с

300

¿5 250 «

I 2<*>

« 150 х

1 100 CL

I 50 0

СФА т //:

/ / / % / t / ^^ '

У— -___ Л-

/ ! .. С=3% : ■

' í

*

400 800 1200 1600 2000 Градиент скорости, 1/с

Рис. 4. Зависимость напряжений от градиента скорости для различной концентрации СФИ и СФА

Для подтверждения критериальной зависимости (14), базируясь на уравнениях гидромеханики ползущих течений применительно к рис. 1, получена аналитическая зависимость относительной толщины флоккул от градиента скорости:

и- о

У ч*© н«шш

V

4 Ул

:)И)

(15)

На рис. 5 представлено сопоставление критериальной (14) и аналитической (15) зависимостей относительной толщины флоккулы от градиента скорости, которое практически подтверждает их идентичность.

СФА

О 400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200 1600 2000 2400

Градиент старост, 1/с Градиенг скорости. 1/с

Рис. 5. Сравнение аналитической и критериальной зависимостей относительной

толщины флоккул от градиента скорости при изменении концентрации:

--аналитическая;---- критериальная; * - точки, соответствующие

началу режима течения с наименьшей ньютоновской вязкостью

Рис. 1-3 и рис. 5 иллюстрируют связь между вязкостью, концентрацией, градиентом скорости и степенью диспергированности массы в ламинарном режиме сдвигового течения.

В третьей главе рассмотрены особенности течения бумажной массы в турбулентном режиме. Предложены модели наиболее распространенного в практике пристеночного течения для бумажной массы в переходном и турбулентном режимах. На их основе получены уравнения связывающие дисперсность массы с числом Рейнольдса в сдвиговом течении. С учетом реологических моделей, предложенных в главе 2, получены зависимости напряжений от градиента скорости при фиксированных значениях концентрации, а также параметрические зависимости напряжений от концентрации при фиксированных значениях градиента скорости во всех режимах течения. Показано, что параметрическая зависимость т(С, у) является базисом аналитического обоснования гидродинамического принципа измерения концентрации бумажной массы, на основе

которого разработан и испытан в промышленных условиях новый измеритель концентрации, обеспечивающий высокую точность измерения при изменении расхода массы в технологических линиях ЦБП.

Для бумажной массы предложен закон распределения скорости на гладкой стенке, который в универсальных координатах ц, <р имеет вид:

и p-v,-y „ _ _

<Р = ~ = V=L-Z при 1 < ?7 < а; (16)

17 • И- О

1,4, ^ p-Vt-8

w — -\r\- + а при л > а = --; (17)

х а ' цо 4 '

( Re V3

а = «р ' «р = л/Щ» Р = ^¡г при Rep < Re < Ret;

(18)

а = at = — при Re > Ret, Kt = ^ = const, (19)

x Rep

l

где х = соЛ+2 5 - постоянная Кармана; С - концентрация массы, %; Rep и

— число Рейнольдса внешнего течения, соответствующее началу переходного и турбулентного режимов; и - скорость массы на расстоянии у от стенки; V, = л/т/р - динамическая скорость; д - толщина пограничного слоя.

Для сдвигового течения в зазоре Б между неподвижной и движущейся со

тт и«

скоростью 1)5 стенками, соответствующему среднему градиенту скорости у — —, из (16)-(17) получим:

у Т * V М0-я /

(20)

Анализ данного уравнения показывает, что оно практически идентично явным зависимостям напряжений от среднего градиента

= [//0 + 0,13 • р ■ х3'515 • (l - • S2 ■ у

■ у при ур < у < Yt; (21)

г = (/¿о + 0,04 • р ■ х3'515 • S2 ■ у) • У при у > yt, (22)

где Ур = ; Yt = -¿¿Г > ReP = !<6 '10 ! Kt = 1.7575. (23)

Уравнения (21)-(23), (16)-(17) в совокупности с (7)-(9) определяют зависимость напряжений от среднего градиента скорости во всех режимах течения массы различной концентрации (рис. 6), а также картину распределения скорости по зазору S в сдвиговом течении (рис. 7).

Рис. 6. Зависимость напряжений от градиента скорости в ламинарном, переходном (р) и турбулентном (0 (штриховая линия) режимах течения СФИ

у/я у/э ул» уМ

Рис. 7. Безразмерное распределение скорости массы в сдвиговом течении: 1 - в начале ламинарного режима; 2 - в конце ламинарного режима; 3 — в середине переходного режима; 4 — в начале турбулентного режима; З/Б - относительная толщина пограничного слоя

Базируясь на известном положении, что микромасштаб турбулентности определяет размер флоккул и используя известные критерии теории турбулентности для (17) и (20), определим относительные интенсивность турбулентности и размер флоккул в зависимости от числа Рейнольдса:

и'/и5 х Ча-В, и8 /

Ке (Ь 1,

===== • —--1п

5 х

15-

15 в?

\

¿Г/Б

-- 1

= 2а;

/

В, = — = сопбЬ\ В£ = Щ- = сопэг,

V, V.3

(24)

(25)

где и', е — интенсивность и диссипация энергии турбулентности.

На рис. 8 представлены зависимости (24) и (25) с учетом (18) и (19), где размер флоккул отнесен к длине волокна.

о.оз

2 5. 0.02

0.01

в. -

1.5

« ч 2 &

21 н ■&

а н О

0.5

\\ , лам.режим

•—

с=3% с=0.7%

8000 10000

2000

4000 6000

8СЮ0 10000

Рис. 8. Зависимости относительной интенсивности турбулентности и'/и5 и относительного размера флоккул с[(/1 от числа Не в переходном (штриховая линия) и турбулентном режимах течения СФИ различной концентрации

На основании уравнений (7)-(9) и (21)-(22) получены параметрические зависимости напряжений от концентрации массы при фиксированных градиентах скорости во всех режимах течения, представленные на рис. 9.

400

: 300

| 200

100

у=3001/с

СФА:

шм.

1 2 3 4 5 6 Концентрация, %

400 у=5001/с : СФА_ у 400

300 300

200 200

100 100

СФИ

0 0

6

0 1 2 3 4 5 6 Концентрация, %

1 2 3 4 5 Концентрация, %

Рис. 9. Зависимости напряжений от концентрации бумажной массы при различных градиентах скорости: т, п — области турбулентного и переходного режимов; ¡10 - область ламинарного течения с наименьшей ньютоновской вязкостью; ц„ > ц > ца - область течения с переменной ньютоновской вязкостью; ц > цл - область структурного течения

Рис. 9 и рис. 3 показывают, что полученные параметрические зависимости ¡1{С, у) и т(С, у) являются аналитическим обоснованием гидродинамического

принципа измерения концентрации бумажной массы. В относительном движении массы и обтекаемого профиля на его поверхности в ламинарном режиме возникает градиент скорости, и соответственно, напряжения сдвига, зависящие от концентрации массы, которые умноженные на площадь профиля, образуют силу Р, трансформируемую в выходной сигнал. Исходя из реологической модели: Р~т(С,у) = м(С,у) • у. При возрастании градиента скорости вследствие увеличения относительной скорости профиля и массы, сила растет, а с другой стороны, согласно рис. 3, вследствие снижения вязкости в пограничном слое, уменьшается. Совместное их воздействие на измеряемую силу определяется параметрическими зависимостями т(С,у), представленными на рис. 9, которые хорошо согласуются с зависимостями выходного сигнала от концентрации массы (рис. 10) известных промышленных измерителей. На основе предложенных реологических моделей разработан, изготовлен и испытан в промышленных условиях измеритель концентрации обеспечивающий высокую точность измерения при изменении расхода массы в технологической линии (рис. 11).

Рис. 11. Промышленная модель измерителя при испытании на смешанной макулатурной массе

чоахт 1ЯЖШ

1—Г

п

! 1 3 < 5

Рис. 10. Зависимость выходного сигнала от концентрации различных видов массы в измерителе «МЕК» фирм ВТО и МЕТБО

В четвертой главе на основе реологических зависимостей (1)-(10) в ламинарном и (16)-(23) в переходном и турбулентном режимах течения рассмотрен процесс диспергирования массы в трубах диаметром более 0,06 м как распад стержня, состоящего из сплетенных флоккул (рис. 12, 13). Определены зависимости коэффициента сопротивления и перепада давления от средней скорости массы в трубе (рис. 14).

Графики согласуются с экспериментальными данными и, в частности, иллюстрируют факт, что сопротивление труб в переходном и турбулентном режимах течения массы меньше, чем у воды при тех же самых расходах.

Средняя скорость, uto Средняя спорость, м/с

Рис. 12. Зависимость безразмерного диаметра флоккулированного стержня от средней скорости СФИ: 1 - зона структурного течения; 2 - зона ньютоновского течения с переменной вязкостью; 3 - зона ньютоновского течения; 4 - зона переходного режима; 5 - зона турбулентного режима

v -U.7WC

2 1.5 1 0.6 О

Í1' ÚJÓ «-S »

2 1.5 1

0.5

V =3.7 м/с

-1 -0.5 0 0.5 1 r/R

N

/ rt /ri ■1.Д

t, У

-O.í 0 0.5 1

2 1.5 1

0.5 О

/Í2 /ir mi Vd \ •" \ и ^

r/R

-1 -0.5 0 0.5 1 r/R

2 1.5 1

0.5 О

1.8м/с

V=2GM/C

-1 -0.5 О 0.5 1 r/R

-1 -0,5 0 0.5 1 r/R

Рис. 13. Безразмерное распределение скорости - по радиусу - для СФИ концентрацией 2% в ламинарном и турбулентном режимах: 1 — зона структурного течения; 2 - зона ньютоновского течения с переменной вязкостью; 3 - зона ньютоновского течения с постоянной вязкостью; с!с/(1 - относительный диаметр флоккулированного стержня

Средняя скорость, м/с

0.1 1 10 Средняя скорость, м/с

Рис. 14. Зависимости коэффициента сопротивления трения и перепада давления на единицу длины трубы диаметром 0,1 м от средней скорости СФИ различной концентрации в ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения: N - ньютоновская жидкость вязкостью 0,324 Пас, равная наибольшей ньютоновской вязкости СФИ концентрацией 5%

В пятой главе рассматриваются процессы диспергирования массы в диапазоне концентраций 0,5-^2% в элементах турбулентных напорных ящиков от генератора турбулентности до места встречи струи с сеткой машины. Предложены уравнения описывающие процесс диспергирования в трубках диаметрами 1(НЗ 0 мм, использующихся в напорных ящиках, как распад стержневого потока на флоккулы с последующим их разрушением на волокна. Получена безразмерная оценка диспергирующей способности генератора турбулентности, представляющего блок ступенчатых диффузоров составленных из трубок разных диаметров.

а

( 3,2-1

(0,05+0,47 [Чо)

(27)

где Лед = с! /О — степень расширения диффузора; с^/с1 - безразмерный

До

диаметр флоккул после расширения диффузора.

На рис.15 представлена конструкция генератора турбулентности напорного ящика, а на рис. 16 показана иллюстрация зависимости (27) при степени расширения ё/Б = 0,5 для диффузоров промышленных ящиков в сравнении с зависимостями полученными для труб. На рис. 17 приведены развернутые графики этих зависимостей для труб диаметром 15 и 30 мм, а также диффузора, составленного из этих труб.

Рис. 15. Блок диффузоров (генератор турбулентности)

01-; —:——_—и_)

ю3 . ю4 ю5

Рис. 16. Зависимость безразмерного диаметра флоккул от числа Ива на выходе из диффузора в трубе

0=0.03м

О 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 Средняя скорость, м/с Средняя скорость, м/с Средняя скорость, м/с

Рис. 17. Зависимость размера флоккул отнесенного к длине волокна от средней скорости СФИ различной концентрации в трубах и на выходе из диффузора, составленного из этих труб

Результаты, показанные на рис. 16 и рис.17, позволяют, в частности, определить скорость в подводящих трубах диффузора при различной концентрации необходимую для полной диспергации массы соответствующей значению (1,7(1 = 0,5.

На основе теории вырождения турбулентности рассмотрен процесс рефлоккуляции массы в конфузорном канале, где с одной стороны, неравномерность скорости созданная генератором уменьшается, а с другой стороны, растет размер диссипативных вихрей не позволяющих волокнам объединиться во флоккулы, вследствие чего размер последних увеличивается. Приложение этой теории к двум известным турбулентным напорным ящикам с учетом (27) и массного баланса позволило получить следующее выражение:

^=0,12- (1+1,25-А) = 1567- Ь(С"Ск;;(1+1'25'А), (28)

I ^р-о/ь 4 > ^ Ч-Унак 4 >

где -р - относительный размер флоккул в конце конфузорного канала перед

губой; С, Ск - концентрации массы и регистровой воды, %; д - масса м2 полотна, г/м2; 7нак- скорость машины по канату, м/мин; С>/Ь - расход на единицу ширины ящика, м2/с; ц0 — вязкость, Па-с; р = 103, кг/м3; А = 7-И0 - постоянные турбулентности.

На рис. 18 представлено сравнение (28) и приведенных в первой главе значений измеренных перед губой размеров флоккул с частотой их образования в конфузорном канале экспериментального ящика с тринадцатью модификациями генераторов турбулентности в диапазоне скорости машины 450+600 м/мин, при весе бумаги 45 г/м2 и концентрацией массы 0,5 %.

Дальнейший процесс диспергирования флоккул, образовавшихся в конце конфузорного канала, происходит в губе ящика. При этом, важным фактором

является дефицит времени на диспергирование флоккул до размера микромасштаба турбулентности в губе, что на основании полученных уравнений, учитывающих фактор времени, иллюстрирует рис. 19. После выхода из губы напорного ящика масса свободной струей опускается на сетку. В свободной струе отсутствует источник энергии, поддерживающий турбулентность, и она начинает вырождаться, что приводит к росту в струе макро и микромасштабов и, соответственно, к росту флоккул размером <!& вышедших из губы ящика до размера дс„, соответствующего встрече струи с сеткой.

2.5

- 2 JC

тэ

1.5 1

0.5

q=45tfM2 С=0.5% ц0=0.00627Пас

,12% >22% CR=0.1?%

' ' 62% А=10

--- ^-

А=7 100% .......47% ♦

15%+

£ ■а

'450

600

600 550

Скорость машины, м/мин Рис. 18. Зависимость относительного размера флоккул перед губой

ящика от скорости машины: + — экспериментальные данные

4 3.5 3 2.5 2 1.5 1

0.5

ioo

ufc

■7-

q=80r/u2 <>1.1%

ц0=0.0168Пас

•'-----: *

СФИ

400 600 800 1000 1200

Скорость машины, м/мин Рис. 19. Зависимость относительных размеров флоккул перед губой с!к,

флоккул и микромасштаба турбулентности Хд в струе массы сходящей с губы ящика

На рис. 20 приведены графики полученных зависимостей ^у1 (я, Унак, С, для СФИ и СФА при я = 80 г/м2 и Ск = 0,12%.

400 800 1200 1600 Скорость машины, м/мин

2000

400 800 1200 1600 2000 Скорость машины, м/мин

Рис. 20. Зависимость относительного размера флоккул от скорости машины в струе массы опускающейся на сетку

Рис. 20 согласуется с известным фактором, что диспергирующая способность напорных ящиков с диффузорами существенно снижается при скорости машин менее 350 м/мин.

Напорные ящики с перфовалами, предназначенные для низкоскоростных машин, образуют большую неравномерность массы м2 формуемого полотна. На основании теоретического анализа разработана конструкция напорного ящика с новым типом генератора турбулентности, прошедшая полупромышленные испытания в диапазоне скоростей машины 100^-450 м/мин, позволяющая повысить уровень дисперсности массы напускаемой на сетку и обеспечить высокую равномерность расхода массы по ширине машины. На рис. 21 представлена модель ящика, а на рис. 22 - оценка его диспергирующей способности, показывающая её повышение по сравнению с напорными ящиками снабженными диффузорами.

Рис. 21. Модель напорного ящика при испытании на массе концентрацией 1,5%. Скорость струи 430 м/мин

Скорость машины, м/мин

Рис. 22. Зависимость относительного размера флоккул от скорости машины в струе массы опускающейся на сетку (модель предлагаемого ящика)

В шестой главе рассматриваются процессы, связанные с диспергированием массы в напорных сортировках для высокой и низкой концентрации.

На основе схемы дифференциальных балансов массы и включений, представленной на рис. 23, получены дифференциальные уравнения, решение которых позволило получить распределение концентрации массы и включений в аксиальном направлении ситового барабана в зависимости от коэффициента сброса отходов (реджекта) Ш1, а также основной показатель работы сортировки - зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта ИЯ:

1кт-1

СР

Н(1-ик)Г ^4-К1-

(29)

Ks RRVM;

ks — 7г~ ; Kn

IV m

1 - 0,086-CF,

(30)

где —, --распределение концентрации массы и включений вдоль оси

Ср Ср(

ситового барабана по отношению к входной концентрации СР и Си; к; - экспериментальный коэффициент.

QfCf

Вход о

Qf-Cf:

1 ?

j СИТОВОЙ*

I барабан

I

CJytfQ,

QC

1У <?-°

Ч

Г

ротор

-г

Д]

I ргджекгг _

^ ОС* уж-Ск

Рис. 23. Схема дифференциальных балансов массы и включений в сортировке

На рис. 24 приведены иллюстрации зависимостей (29) и (30), в которых коэффициенты определены по данным испытаний промышленной сортировки на макулатурной массе. Из рис. 24 видно, что обозначенная штриховой линией, широко используемая наиболее точная эмпирическая зависимость

(

CA,(y)dQ

Qa-Cà

"QZCaT

RR

(Qs - опытный коэффициент) идентична теоретически получен-

Е —

ной зависимости (30) как для всех включений, так и для фракции стиков.

С/С,

0.2 0.4 0.6 0.8 y/h

0.2 0.4 О.е 0.8 RR

0.2 0.4 0.6 0.8 1 y/ft

Рис. 24. Изменение концентрации массы и всех включений между ситом и ротором вдоль оси ситового барабана при различных коэффициентах реджекта, а также зависимость EC(RR) для всех включений и фракции стиков (stickies)

Первая зависимость в (29) с учетом (4) и данных таблицы определяет изменение вязкости вдоль оси ситового барабана, что дает возможность использовать уравнения турбулентных сдвиговых течений и получить изменение степени дисперсности массы вдоль оси барабана при различной ее концент-

рации, скорости ротора и различном коэффициенте реджекта как для гладких, так и профильных сит, что иллюстрируют рис. 25 и рис. 26.

Рис. 25. Изменение относительного размера флоккул вдоль оси ситового барабана между гладким ситом и ротором при различной входной концентрации СФИ, окружной скорости ротора и коэффициентах реджекта: -----ИЛ = 0,1; — -ЯЯ=0,2

Юм/С

30м/с

0 0.2 0.4 0.6 0 8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

У'Ь у/и у/и

Рис. 26. Изменение относительного размера флоккул вдоль оси ситового барабана между профильным ситом и ротором при различной входной концентрации СФИ и окружной скорости ротора (Ю1=0,2)

С =2%

15м/с

рР=з%

Рис. 25 и 26 позволяют определить минимальную скорость вращения ротора при заданной концентрации и коэффициенте реджекта, при которой не происходит забивание щелей сита флоккулами по значению относительного размера флоккул й[/1 < 1,5для всего ситового барабана у/ Н - 1. Рис. 25 показывает значительное повышение диспергирующей способности профильных сит до той части ситового барабана, где вследствие сгущения массы турбулентный пограничный слой переходит в ламинарный и сито становится гидравлически гладким (область «гл» на рис. 26). Рис. 27 и 28 поясняют вышеприведенную физическую картину течения на поверхности сита.

Проведена оценка диспергирующей способности очистных элементов ротора в виде полусфер (рис. 29), широко применяемых в сортировках, используемых в ЦБП, и образующих в зазоре между ситом и ротором турбулентные дорожки Кармана. Сравнение рис. 29, 25 и 26 показывает менее

значительный вклад очистных элементов в процесс тонкого диспергирования массы на поверхности сита по сравнению со вкладом, вносимыми мелкими диссипативными вихрями, создаваемыми в узком зазоре вращающегося с высокой скоростью барабаном ротора. Основная роль очистных элементов в сортировках для массы концентрацией 1,5+3,5 % заключается в образовании отсасывающих импульсов очищающих сито и интенсивном перемешивании, не позволяющем включениям сконцентрироваться на поверхности сита.

Z=1.2MM t=3.2WM=15!

Рис. 27. Забивание щелей сита флоккулами размером с^ > 1,5 -1, I = 2 мм - средняя длина волокна

Рис. 28. Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный на профильном сите вследствие увеличении скорости ротора или снижения концентрации массы

.5% RR=Û.2

RR=0.2

35wi'c ; О 0.2 0.4 0.6 0,8 1 уЛ y/il

Рис. 29. Образование дорожки Кармана за полусферическим очистным элементом ротора и изменение уровня дисперсности в ней вдоль оси ротора при различной его окружной скорости

Рассмотрен процесс диспергирования массы в лопастных сортировках для низкой концентрации массы (машинных сортировках). Показано, что степень дисперсности на сите определяется генерацией турбулентности в сдвиговом течении между лопастью и ситом с последующим ее затуханием между лопастями (рис. 30).

Полученные на основе рис. 30 уравнения, связывающие степень дисперги-рованности массы на поверхности ситового барабана с окружной скоростью лопастей и концентрацией массы в рабочем диапазоне, иллюстрируются на рис. 31.

Рис. 30. Схема генерации турбулентности между лопастью и ситом и её вырождения между лопастями и распределение средней скорости массы 1/А проходящей через сито: Т- период вращения ротора; Кл - количество лопастей

Рис. 31. Зависимость относительного размера флоккул непосредственно перед лопастями на конце ситового барабана с гладким (сплошная линия) и профильным (штриховая линия) ситами от входной концентрации массы и скорости лопастей

Рис. 25, 26 и 31 показывают, что при увеличении концентрации сортируемой массы для поддержания требуемого уровня дисперсности необходимо повышать коэффициент реджекта и скорость вращения ротора. Повышение скорости ротора приводит к увеличению амплитуды пульсаций давления на лобовой части очистных элементов вдавливающих стиков в щели или отверстия сита, к повышению сдвиговых напряжений их разрушающих и увеличению количества пульсационных воздействий на стики за время их движения от начала до конца ситового барабана. При этом, неоправданно большая часть энергии ротора расходуется на обеспечение диспергации массы на нижнем конце барабана. Совокупность этих факторов объясняет известный факт существенной разницы эффективности сортирования стиков при низкой и высокой концентрации массы.

Для повышения эффективности сортирования стиков при концентрации массы более 1,3% на основе полученных теоретических концепций разработана новая ПР-сортировка, изображенная на рис. 32.

Рис. 32. Схема ПР-сортировки: 1- входной патрубок; 2- полый ротор; 3- разгонные патрубки; 4- лопасти; 5-ситовой барабан; 6- выходной патрубок; 7- патрубок реджекта; 8- перфорированная на конце разбавительная труба; 9- отраженные от лопастей турбулентные струи; 10- пьезокерамический датчик для измерения пульсаций давления

Масса в ПР-сортировке через входной патрубок поступает в полость ротора и распределяется по разгонным патрубкам, где ускоряется и вытекает из ротора в виде струй. Струи наталкиваются на тыльные стороны лопастей, растекаясь по ним вследствие ориентации патрубков преимущественно в направлении лобовой части лопастей, образуя бегущий впереди них интенсивный турбулентный поток диспергирующий массу на волокна и одновременно снижающий негативный лобовой импульс давления. Оборотная вода через перфорацию в разбавительной трубе поступает в нижний конец полости ротора и, смешиваясь с массой, при соударении струй с лопастями устраняет вышеописанный негативный эффект сгущения массы на нижнем конце ситового барабана.

На рис. 33 представлен диспергирующий эффект в ПР-сортировке в сравнении с другими типами сортировки.

На рис. 34 представлены осциллограммы пульсаций давления на сите лопастной и ПР-сортировки при одинаковых условиях, показывающие снижение лобового импульса опасного для стиков в ПР-сортировке. На рис. 35 показана промышленная модель ПР-сортировки, установленная в технологическом потоке на ОАЗТ «Завод Картонтоль».

На рис. 36 приведены данные испытаний ПР-сортировки и известной сортировки СНС05, показывающие преимущества предложенной сортировки по качеству отсортированной массы.

2.5 2

- 1.5 1

0.5

V =20м/с

Ук=25м/е

Ур=30м/с ВК=0.2

1.5 2 2.5 3 3.5 Концентрация массы, %

2 2.5 3 3.5 4 Концентрация массы, %

Рис. 33. Зависимости относительного размера флоккул от входной концентрации СФИ на выходном конце ситового барабана с гладким ситом в сортировке для высокой концентрации (слева), лопастной и ПР-сортировке (справа)

V =Шс

0.04 0.06 Вемя, с

Рис. 34. Осциллограммы пульсаций давления ЛР на сите трехлопастной (штриховая линия) и ПР-сортировки при окружной скорости лопастей 10 м/с

Рис. 35. Фотография промышленной модели ГХР-сортировки

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Коэффициент реджекга, ЯР?

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Коэффициент реджекга, ГШ

Рис. 36. Зависимость эффективности сортирования по общему количеству стиков от коэффициента реджекта на сите с отверстиями 2,2 мм для ПР-сортирорвки и СНС05 (слева) и ПР-сортировки на сите с отверстиями 1,4 мм (справа) при различной концентрации смешанной макулатурной массы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана обобщенная безразмерная реологическая модель бумажной массы как специфической неньютоновской жидкости, включающая концентрацию как параметр, связывающая для каждой концентрации изменение ньютоновской вязкости от наибольшего до наименьшего значения со степенью дисперсности и являющаяся теоретическим обоснованием гидродинамического принципа измерения концентрации.

2. Предложены физическая и математическая модель пристеночного распределения скорости для бумажной массы переменной концентрации в турбулентном режиме, на основе которой для сдвигового течения определены зависимости дисперсности и интенсивности турбулентности от числа Рейнольдса, а также напряжений сдвига от среднего градиента скорости и концентрации.

3. На основе предложенных моделей получены основные характеристики течения массы переменной концентрации в ламинарном и турбулентном режимах в трубах больших диаметров хорошо согласующиеся с известными экспериментальными данными: зависимостью коэффициента гидравлического трения, перепада давления и степени дисперсности флоккулированного стержня от средней скорости.

4. Получены теоретические зависимости, позволяющие определить степень дисперсности бумажной массы в элементах турбулентных напорных ящиков: трубах, диффузорном блоке, конфузорном канале, напускной губе и струе опускающейся на сетку бумагоделательной машины в зависимости от ее скорости и концентрации массы.

5. Получены уравнения аксиального распределения концентрации массы и включений между ситовым барабаном и ротором в напорных сортировках и на их основе — зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта.

6. Получены теоретические зависимости распределения степени дисперсности массы на ситовом барабане с гладким и профильным ситом в зависимости от входной концентрации массы, окружной скорости ротора и коэффициента реджекта в сортировках для высокой и низкой концентрации.

7. Теоретически обоснованы, разработаны и апробированы в промышленных и полупромышленных условиях принципиально новые конструкции сортировки, напорного ящика и измерителя концентрации.

8. Разработан инженерный гидромеханический метод расчета, позволяющий прогнозировать степень дисперсности массы с целью оптимизации работы действующего и проектируемого напускного и сортирующего оборудования.

9. Результаты работы внедрены и используются в практике проектно-конструкторских работ ЦНИИБуммаш-инженеринг, на АОЗТ «Завод Картон-толь», Ингурском ЦБК и других предприятиях отрасли.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Куров B.C., Тихонов Ю.А. Гидродинамика процессов массоподачи на бумагоделательную машину. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010,- 264с.

2. Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Исаичев М.Н., Якимов Ю.Г., Дмитриева JI.M. Повышение эффективности сортирования путем расширения возможностей сортировок с лопастями // Целлюлоза. Бумага. Картон. -1998. -№7-8. -С.41-43.

3. Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Куров B.C., Кириллов А.Н., Гаузе A.A., Андреев А.Г., Якимов Ю.Г., Рыбаков С.А. Новая конструкция ротора сортировок с гидродинамическими лопастями. // Изв. Вузов: Лесной журнал. -2000. -№4. -С.66-70.

4. Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Куров B.C., Андреев А.Г., Якимов Ю.Г., Рыбаков С.А.Расширение возможностей узлоловителей при изменении конструкции ротора // Целлюлоза. Бумага. Картон.-2000.-№5-6.-С. 42-43.

5. Тихонов Ю.А., Куров B.C., Андреев Напорный ящик с узлоловителем для макулатурной массы повышенной концентрации - это возможность для модернизации сеточных столов тихоходных машин // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2005.-№7.-С. 49.

6. Тихонов Ю.А., Куров B.C., Шемякин Э.В. Напорный ящик для низкоскоростных машин // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2006. -№8. -С. 70-73.

7. Тихонов Ю.А., Куров B.C., Завьялов М.В., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М., Архипова Н.Б., Рыбаков С.А. // Возможность повышения эффективности сортирования макулатурной массы за счет изменения конструкции ротора сортировки // Целлюлоза, бумага, картон. Научный выпуск.-2006.-Ноябрь.-С.43-45.

8. Осипов П.В., Куров B.C., Тихонов Ю.А. Оценка обезвоживания массы в мокрой части при применении систем химикатов во взаимосвязи с продуктивностью машины//Целлюлоза. Бумага. Картон. -2011.-№1.-С. 63-65.

9. Тихонов Ю.А., Куров B.C., Осипов П.В. Модели эффективности сортирования // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2011.-№2.-С. 48-50.

10. Куров B.C., Тихонов Ю.А. Напорный ящик для массы повышенной концентрации // Изв. Вузов: Лесной журнал. -2011.-№5.-С. 94-99.

П.Тихонов Ю.А., Куров B.C., Кошкин В.В., Осипов П.В. Связь реологических и структурных параметров в сдвиговых течениях бумажной массы при измерении концентрации // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2011.-№9.-С. 48-51.

12. Осипов П.В., Куров B.C., Тихонов Ю.А. Взаимосвязь эффективности сортирования и свойств обезвоживания бумажной массы // Целлюлоза. Бумага. Картон. -2012.-№2.-С. 42-45.

13. Куров B.C., Тихонов Ю.А, Турбулентный ротор повышает эффективность сортирования макулатурной массы // Изв.Вузов: Лесной журнал. -2012. -№2. -С. 117-121.

14. A.C. 1236036 СССР. Напускное устройство бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Шохин А.Н., Куров B.C., Белов A.B. -№3821730, заявл. 10.12.84; опубл. 07.06.86. - Бюл. №21.

15. A.C. 1291639 СССР. Напускное устройство бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Синегубов С.С., Каменев A.A. -№3960533, заявл. 05.10.85; опубл. 23.02.87. - Бюл. №7.

16. A.C. 1442586 СССР. Устройство для подвода волокнистой массы к бумагоделательной машине / Терентьев O.A., Куров B.C., Тихонов Ю.А., Болотов В.М., Гришин Г.В.- №4233193, заявл. 22.04.87; опубл. 07.12.88. - Бюл. №45.

17. A.C. 1449868 СССР. Дисковый вискозиметр / Васильева С.Г., Тихонов Ю.А., Тотухов Ю.А., Терентьев O.A., Синегубов С.С., Каменев A.A. - №4229822, заявл. 13.04.87; опубл.07.01.89.- Бюл. №1.

18. A.C. 1534124 СССР. Напорный ящик бумагоделательной машины /Терентьев O.A., Тихонов Ю.А., Куров B.C., Андреев А.Г., Кунин И.Л. -№4415542, заявл. 25.04.88; опубл. 07.01.90. - Бюл. №1.

19. A.C. 1535910 СССР. Напорный ящик бумагоделательной машины /Терентьев O.A., Куров B.C., Тихонов Ю.А., Андреев А.Г.-№43955530 заявл. 21.03.88; опубл. 15.01.90. - Бюл. №2.

20. A.C. 1541493 СССР. Вискозиметр / Васильева С.Г., Тихонов Ю.А., Тотухов Ю.А., Терентьев O.A., Синегубов С.С. -№4414351. заявл. 25.04.88; опубл. 07.02.90. - Бюл. №5.

21. A.C. 1541414 СССР. Насос для перекачки вязких сред / Борилкевич Б.Е., Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Синегубов С.С., Ценципер Б.М., Жуковский C.B., Маковецкий В.Д.-№4244718, заявл. 13.05.87; опубл. 07.02.90. -Бюл. №5.

22. A.C. 1695173 СССР. Устройство для измерения концентрации суспензий / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Юдович Б.М., Куликов С.Н., Борилкевич Б.Е., Синегубов С.С., Кулемин Б.Н., Елькин В.П.-№4721053,заявл. 19.07.89; опубл. 30.11.91.-Бюл. №44.

23. A.C. 1721156 СССР. Напорный ящик бумагоделательной машины /Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Шервашидзе Г.Г., Кулемин Б.М.-№4843222, заявл. 25.06.90; опубл. 23.03.92. - Бюл. №11.

24. Пат. 1743245 Российская федерация, МПК7 D 21 D5/02. Способ сортирования волокнистой суспензии и устройство для его осуществления / Тихонов Ю.А., Юдович Г.Б., Терентьев O.A., Синегубов С.С., Бровкин В.М. -№4465909; заявл. 26.07.1988; опубл. 30.03.1993. - Бюл. №21.

25. Пат. 2002241 Российская федерация, МПК7 G01N15/02. Устройство для измерения концентрации суспензий / Тихонов Ю.А., Кулемин Б.М., Терентьев О.А.-№4953548, заявл. 26.06.91; опубл. 30.10.93. - Бюл. №39-40.

26. Пат. 2061813 Российская федерация, МПК7 D21F1/02. Способ напуска волокнистой массы на сетку бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Шервашидзе Г.Г. -№92016114, заявл. 24.12.92, опубл. 10.06.96. -Бюл. №16.

27. Пат. 2061812 Российская федерация, МПК7 D 21 D5/02. Устройство для сортирования волокнистой массы / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A. -№93018994; заявл. 13.04.93; опубл. 10.06.96. -Бюл. № 16.

28. Пат. 2081958 Российская федерация, МПК7 D21F1/02. Напорный ящик бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Шервашидзе Г.Г.

- №92016004,заявл. 24.12.92; опубл. 20.06.97. - Бюл. №17.

29. Пат. 2178555 Российская федерация, МПК7 G01N15/02. Устройство для измерения концентрации суспензии / Тихонов Ю.А.- №2001110313,заявл. 16.04.2001; опубл. 20.01.2002. - Бюл. №2.

30. Пат.2190715 Российская федерация, МПК7 D21F1/02. Способ выравнивания волокнистой массы, напускаемая на стеку бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А.-№2001110312; заявл. 16.04.2001; опубл. 10.10.2002.

- Бюл. №28.

31. Пат. 2202669 Российская федерация, МПК7 D21F1/02. Напорный ящик бумагоделательной машины / Тихонов Ю.А.-2002107215, заявл. 13.03.2002; опубл. 20.04.2003. - Бюл. №11.

32. Саенко. Э.Ф., Терентьев O.A., Тихонов Ю.А. Оценка интенсивности турбулентности в потоке волокнистой суспензии // Машшш и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1980.-С. 26-28.

33. Тихонов Ю.А., Саенко Э.Ф., Синегубов С.С. О принципе выбора диспергирующих элементов напускных устройств для волокнистой суспензии различной плотности и концентрации // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1982.-С.84-87.

34. Тихонов Ю.А., Тотухов Ю.А., Васильева С.Г., Синегубов С.С., Васильев C.B. Оценка диспергирующей способности напускных устройств // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1987.-С.41-44.

35. Куров. B.C., Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Гришин Г.В. Теоретическая оценка колебаний массы м2 бумаги в зависимости от пульсаций давления, генерируемых гидравлическим оборудованием // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1988.-С.45-49.

36. Тихонов Ю.А., Юдович Г.Б., Кулемин Б.М., Васильева С.Г., Синегубов С.С., Шеврашидзе Г.Г. Гидродинамические условия диспегации волокнистой суспензии // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1989.-С.42-45.

37. Барановский A.B., Терентьев O.A., Тихонов Ю.А., Синегубов С.С., Васильева С.Г. Расчет напряжений сдвига в структурированном потоке волокнистой суспензии // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1989.-С.37-41.

38. Tichonov J.A., Terentjew O.A., Kurow W.S. Rheologische and hydrodina-mische Verhältnisse Geim Dispergieren Voh Faserstoffsuspensionen // IX Papiertechnisches Kolloqium. Rheoligie and Festigkait bei Erzeugung and Verbeitung von Papier. Dresden, 1990.-P. 6.

39. Куров B.C., Терентьев O.A., Тихонов Ю.А. Особенности движения волокнистых суспензий с наполнителями в процессе производства бумаги

//Исползуване на химически спомогателни вещества при производството на целлюлоза, хартия, картон и прочи от дървесны влокни. Тезисы докл. междунар. конф. / г.София, Болгария, 1990. -С.18-19.

40. Барановский A.B., Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Кисилев A.B., Калугин Ю.К. Новое устройство для сортирования волокнистой массы // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. Л.: ЛТА, 1991.-С.51-54.

41. Tichonov J.A., Terentjew O.A., Kurow W.S. Ideologische and hydrodinamische Verhältnisse Geim Dispergieren Voh Faserstoffsuspensionen // Zellstoff and Papier.-1991.-№2.-P. 67-71.

42. Kurow W.S., Terentjew O.A., Tichonov J.A. Rheologische Grandlagen der Stoffzuführungsprozesse in der Papermaschine. // Zellstoff and Papier. -1991. -№2. -P. 71-72.

43. Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Исаичев M.H., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М. Повышение эффективности сортирования путем расширения возможностей сортировки с лопастями // Сб. сообщений 5 международ, технич. конф. PAP-FOR 17.11.1998.-С. 43-45.

44. Тихонов Ю.А., Терентьев O.A., Исаичев М.Н., Сыромаха П.И., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М. Исследование работы экспериментальной сортировки при повышенной концентрации массы // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. научн. тр. С-Пб.: СПбГТУРП 1998.-С. 89-91.

45. Tichonov J.A., Kurow W.S., Andreev A.G. Headbox specificfor 1,5-3% consistensy web formation. The seventh international conference PAP-FOR 2002. St-Petersburg, November, 2002.-P. 118-121.

46. Тихонов Ю.А., Куров B.C., Завьялов M.B., Андреев А.Г., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М., Архипова Н.Б., Рыбаков С.А. Напорный ящик и сортировка для низкоскоростных машин // ЦБП России - взгляд в будущее: Сб. тр. международ, научн.-практич. конф.СПб.; 26.10.2006.-С. 93-94.

47. Тихонов Ю.А., Завьялов М.В., Куров B.C., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М., Архипова Н.Б., Рыбаков С.А. Возможность повышения эффективности сортирования макулатурной массы за счет изменения конструкции ротора сортировки // Современные технологии и оборудование промывки, сортирования и размола волокнистых масс в ЦБП: Тез. докл. международ, научн.-практич. конф. СПб., 22.11.2007.- С.166-172.

48. Тихонов Ю.А., Завьялов М.В., Куров B.C., Якимов Ю.Г., Дмитриева Л.М., Архипова Н.Б., Леонтьев С.А., Пудов В.Н. Возможность повышения эффективности сортирования макулатурной массы за счет изменения конструкции ротора сортировки П Современные технологии и системы подготовки бумажной массы: Сб. тр. международ, научн.-практич. конф.СПб.; 29.02.2008.- С. 49-53.

Отпечатано в типографии ООО «Копи-Сервис» г. Санкт-Петербург, Старо-Петергофский, д. 44 Тираж 100 экз. Отдано в печать 27.12.2012 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

На правах рукописи

05201350581

ТИХОНОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ ПРИ СОРТИРОВАНИИ И НАПУСКЕ НА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНУЮ МАШИНУ

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

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................6

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫМ И ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ ......................................................................................10

1.1. Экспериментальные и аналитические реологические характеристики бумажной массы ........................................................................................ 10

1.2. Экспериментальные и аналитические характеристики течения бумажной массы по трубам........................................................................15

1.3. Статистические параметры дисперсности бумажной массы..................19

1.4. Диспергирование флоккул в ламинарном режиме течения....................21

1.5. Диспергирование массы в турбулентном режиме течения.....................24

1.6. Характеристики течения массы в напорном ящике.................................29

1.7. Характеристики течения массы в напорных сортировках......................37

1.8. Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследований......44

2. МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ В

ЛАМИНАРНОМ РЕЖИМЕ...............................................................................47

2.1. Реологические модели бумажной массы .................................................47

2.2 Определение напряжений, возникающих во флоккуле, движущейся в

ламинарном потоке с градиентом скорости ............................................51

2.3. Связь реологических параметров со степенью дисперсности массы ....60

2.4. Методика определения реологических параметров по экспериментальным данным.....................................................................63

2.5. Реологические зависимости напряжений и вязкости от градиента скорости.......................................................................................................66

2.6. Распределение скоростей в сдвиговом ламинарном течении.................71

3. МОДЕЛЬ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАССЫ В ПЕРЕХОДНОМ И ТУРБУ-

ЛЕНТНОМ РЕЖИМАХ СДВИГОВОГО ТЕЧЕНИЯ .....................................78

3.1. Модели переходного и турбулентного режимов течения для бумажной массы ........................................................................................78

3.2. Модель процесса разрушения флоккулы в турбулентном режиме течения.........................................................................................................92

3.3. Представление реологических моделей в виде явных зависимостей напряжений сдвига от концентрации массы ...........................................97

3.4. Экспериментальное определение реологических зависимостей..........104

3.5. Параметрическая реологическая модель в качестве базиса аналитического обоснования гидродинамического принципа измерения концентрации бумажной массы..............................................................109

4. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАССЫ В ТРУБАХ.......116

4.1. Модель процесса диспергирования в трубах в ламинарном режиме течения...................................................................................................... 116

4.2. Модель процесса диспергирования в трубах в переходном и турбулентном режимах течения .............................................................132

5. МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МАССЫ В ЭЛЕМЕНТАХ

НАПОРНЫХ ЯЩИКОВ ..................................................................................149

5.1 Модель процесса диспергирования флоккулированного стержня

в трубах и плоских каналах размером одного порядка с размером флоккул в ламинарном режиме течения ............................................... 149

5.2. Модель процесса диспергирования флоккулированного стержня в трубе и плоских каналах размером одного порядка с размером флоккул в переходном и турбулентном режимах течения ..................156

5.3. Модель процесса диспергирования флоккул в ламинарном режиме течения в трубе и плоском канале ..........................................................168

5.4. Модель процесса диспергирования флоккул в трубе и плоском канале

в турбулентном режиме течения.............................................................174

5.5. Рефлоккуляция массы в напускном канале ............................................194

5.6. Диспергирование массы в губе напорного ящика в турбулентном режиме течения.........................................................................................204

5.7. Скорость распада флоккул в турбулентном режиме течения...............212

5.8. Рефлоккуляция в струе массы опускающейся на сетку машины.........219

5.9. Полупромышленный напорный ящик для низкоскоростных машин ..222

5.10. Выравнивание профиля массы м локальным регулированием высоты перелива.......................................................................................224

5.11. Диспергирование массы в полупромышленном ящике ......................230

5.12. Изменение интенсивности турбулентности вдоль оси напускного канала в экспериментальном ящике.......................................................236

6. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ

МАССЫ ПРИ СОРТИРОВАНИИ...................................................................241

6.1. Картина распределения концентрации массы и включений вдоль оси ситового барабана и модель эффективности сортирования на её основе........................................................................................................241

6.2. Диспергирование массы концентрацией 1,5+4% на гладких ситах ....254

6.3. Диспергирование массы концентрацией 1,5+4% на профильных

ситах...........................................................................................................261

6.4. Диспергирование массы концентрацией 1,5 + 4% очистными элементами ротора ...................................................................................266

6.5. Диспергирование массы концентраций 0,5 + 1,5 % в лопастных машинных сортировках ...........................................................................270

6.6. Негативные факторы в напорных сортировках......................................289

6.7. Концепция сортировки с полым ротором (ПР-сортировка) для сортирования массы концентрацией 1,5 + 4 % .....................................292

6.8. Методика определения эффективности сортирования макулатурной массы в промышленной модели ПР-сортировки...................................299

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................309

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

311

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................................................................328

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 .................................................................................................330

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 .................................................................................................333

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 .................................................................................................337

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 .................................................................................................338

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных направлений технического прогресса в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) является инновационный путь развития отрасли на основе создания новых ресурсосберегающих экологически чистых технологий и оборудования для получения наукоемких видов бумаги и картона с высокой добавленной стоимостью. Особое значение при этом придается повышению эффективности производства и качеству готовой продукции при экономном и рациональном использовании сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов.

Для ЦБП одним из путей решения этих задач является повышение концентрации бумажной массы при напуске на сетку бумагоделательной машины (БДМ), что позволяет повысить производительность машины при сокращении длины сеточных частей, снизить расходы оборотной воды, габариты и мощность вспомогательного оборудования. Однако повышение концентрации при напуске приводит к ухудшению качества готовой продукции вследствие снижения степени дисперсности массы при напуске и формовании. Известно, что при повышении концентрации в напорном ящике растет размер флоккул в струе массы напускаемой на сетку машины, рост которых еще в большей степени продолжается на сетке вследствие повышения концентрации при обезвоживании. Особенно это резко проявляется в напорных ящиках низкоскоростных машин, турбулентной энергии потока которых не хватает для эффективного диспергирования флоккул при повышении концентрации массы. Кроме того, диспергирующие элементы напорных ящиков низкоскоростных машин создают гораздо большую неравномерность профиля веса м2 формуемого полотна чем современные ящики скоростных машин. Создание новых конструкций напускных устройств и модернизация существующих сдерживается из-за отсутствия теории процесса диспергирования бумажной массы в элементах турбулентных напорных ящиков при изменении концентрации и скорости машины.

Другим не менее важным аспектом ресурсо- и энергосбережения является использование и увеличение содержания в композиционных составах бумажной массы вторичного волокнистого компонента на основе макулатурной массы взамен дорогостоящего первичного волокнистого материала. Однако качество бумажной массы, с использованием макулатуры, ухудшается в процессе многократных циклов переработки. Кроме того, такая бумажная масса загрязнена и содержит целый ряд посторонних включений различного происхождения: от тяжелых, твердых частиц (песок, металл, стекло) до легкодеформируемых клейких частиц (воск, битум, латексы), называемых фракцией "стиков" (зйсЫеБ). Наиболее трудной и далеко нерешенной проблемой является процесс сортирования массы, содержащей стики, которые под действием гидродинамических усилий, создаваемых роторами сортирующего оборудования, деформируясь и разрушаясь, проходят через узкие отверстия и щели сит, что приводит к образованию многочисленных дефектов в бумажном полотне, обрывам на БДМ, загрязнению и повышенному износу одежды машин. Роторы сортировок очищают сито от застрявших включений и сгустков волокон и диспергируют массу, обеспечивая максимально свободный проход волокон через него и отделение от них включений. С другой стороны, роторы деформируют и вталкивают стики в отверстия или щели сита снижая тем самым эффективность сортирования. Ключевым фактором повышения эффективности сортирования стиков будет являться процесс эффективного диспергирования массы, обеспечивающий высокую производительность при минимальных гидродинамических воздействиях. Реализация такого процесса сдерживается практически полным отсутствием теоретического обоснования массы при сортировании в широком диапазоне концентрации сортируемой массы, в среднем 0,5-г-4%.

Эффективная работа сортирующего и напускного оборудования невозможна без стабилизации концентрации массы. Увеличение концентрации на 0,1% приводит к существенному снижению эффективности сортирования и колебанию веса м2 формуемого полотна. Процесс измерения концентрации

наиболее точным гидромеханическим способом непосредственно связан с реологическими параметрами массы, зависящими от ее концентрации и степени дисперсности. Отсутствие теории связывающей реологические параметры массы заданной композиции массы с концентрацией и степенью дисперсности затрудняет дальнейшее развитие измерителей концентрации с целью ее стабилизации в технологических линиях ЦБП.

Целью диссертационной работы является разработка и реализация комплекса теоретических положений и практических рекомендаций повышения эффективности и стабильности работы сортирующего и массонапускного оборудования БДМ для выработки бумаги и картона высокого качества.

Автор выносит на защиту:

1. Обобщенную реологическую модель бумажной массы учитывающую концентрацию как параметр и связывающую изменение вязкости со степенью дисперсности.

2. Математическую модель пристеночного распределения скорости для бумажной массы переменной концентрации в турбулентном режиме течения и на ее основе характеристики турбулентного сдвигового течения: зависимость напряжений от среднего градиента скорости и концентрации, зависимости интенсивности турбулентности и степени дисперсности массы от числа Рейнольдса.

3. Теорию диспергирования бумажной массы в элементах турбулентных напорных ящиков: трубках, диффузорном генераторе турбулентности, конфузорном канале, напускной губе и струе опускающейся на сетку машины.

4. Аналитическую модель изменения концентрации массы и включений вдоль оси ситового барабана напорных сортировок и на ее основе зависимость эффективности сортирования от коэффициента реджекта.

5. Теорию диспергирования при сортировании массы высокой и низкой концентрации на гладких и профильных ситах, связывающую распределение

степени дисперсности массы по оси ситового барабана со скоростью вращения ротора, входной концентрацией и коэффициентом реджекта.

6. Новые конструкции сортировки, напорного ящика для низкоскоростных машин, измерителя концентрации массы.

7. Инженерный гидромеханический метод расчета, позволяющий прогнозировать степень дисперсности бумажной массы с целью оптимизации работы действующего и проектируемого напускного и сортирующего оборудования.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫМ И ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ В ОБЛАСТИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ

1.1. Экспериментальные и аналитические реологические характеристики

бумажной массы

На основе анализа исследований по реологии бумажных масс, а также собственных исследований в [1-3] установлено, что реологические зависимости напряжений от градиента скорости (рисунок 1.1) характеризуются начальным напряжением сдвига тн, при котором масса приобретает текучесть и значением градиента скорости у0 с соответствующим ему напряжением т0, при котором масса получает основные черты ньютоновской жидкости с практически постоянной вязкостью. На рисунке 1.2-1.5 приведены зависимости напряжений от градиента скорости массы различной композиции и концентрации, полученные на вискозиметрах с вращающими внутренними и наружными цилиндрами. На рисунке 1.5 также приведена зависимость индекса флоккуляции Б от окружной скорости цилиндра определенного световым методом:

Р = у • 100% ,

11 Т —

где Д1 = /- /0 (I — 1)сН: - среднеквадратичная величина пульсаций отраженного

света; I = ^ 1сН: - средняя величина отраженного света за время осреднения Т.

На рисунке 1.6 и рисунке 1.7 представлены зависимости вязкости массы от градиента скорости при различной концентрации. На рисунке 1.8 представлена зависимость относительной вязкости (отношение вязкости к вязкости суспензии в диспергированном состоянии) от объёмной концентрации.

О 50 100 150 200 250 300

Градиент скорости, 1/с

Рис. 1.3. Зависимость напряжений от градиента скорости сульфатной не беленой целлюлозы различной концентрации [5-7]

Рис. 1.4. Зависимость напряжений от окружной скорости и от градиента скорости массы различной композиции и концентрации [1]

Градиент скорости, 1/с Рис. 1.1. Характерная зависимость

напряжения сдвига от градиента

скорости

40

Градиент скорости, 1/с Рис. 1.2. Зависимость напряжений от

градиента скорости сульфатной беленой

целлюлозы концентрацией 1,1 % [4]

60

I I

>С-2%

40 200 320 400

Окружная скорость, м/с

1, 1, 3 ~ беленая суллфаткгя ЦеляИйоз»; 4, I б — небелек&л сульфатная целлюлозе: 7, », К 10 ~ беленая сульфита^ целлюлоза;

12 — яреиекая нжсса

>С-5%

«Г

дин/см

К 4С

к

Я"

§ 30

£ «

о

Ч 20 •в«

о и

а К

-111 |,А.|

100

■ ■ —'

1ПГХ1

м/мин 10

&.Ъ-40 V у м/с Окружная скорость, м/мин 1/с

Рис. 1.5. Зависимость напряжений сдвига и индекса флоккуляции от окружной скорости цилиндра вискозиметра для сульфатной

— о.з а.5"— -со /..г

¿0 /О~2-10 3-10

беленой лиственной целлюлозы [8]

100 Ш . 300 400 зоо

Градиент скорости, 1/с

Рис. 1.6. Динамика изменения коэффициента вязкости [9]:

1 - вода; 2 - волокнистая суспензия С=0,3%;

3 - волокнистая суспензия С=0,6%; 4 - волокнистая суспензия С=0,9%

о сЬ

с

л" н о о к

со «

и

ю го а? чо 50 во 70г ао Градиент скорости, 1/с

Рис. 1.7. Зависимость вязкости сульфатной небеленой целлюлозы

от градиента скорости [2]: 1 - 2% концентрации; 2- 2,5%; 3- 3%; 4- 3,5%; 5- 4%; 6- 4,5%

л н о о ы

СО О? РЧ

к

Л

Ц

<и н к и о я н

О

10я , 10'

Объемная концентрация, %

Рис. 1.8. Зависимость относительной вязкости бумажных масс от концентрации согласно данным различных исследований [10]

Обзор реологических моделей бумажной массы приведенных [1, 2, И- 16] показывает, что наиболее распространенными являются модели Гершеля-Балкли и О.А.Терентьева.

Модель Гершеля-Балкли определяется уравнением:

где у - градиент скорости; тн - начальное напряжение сдвига, при котором масса приобретает текучесть; Кип- эмпирические постоянные.

Недостатком модели (1.1) является, как это следует из рисунков 1.1-И.8, несоответствие экспериментальным данным при достаточно больших градиентах скорости.

Наиболее точно во всем диапазоне градиентов скорости описывает экспериментальные реологические зависимости модель O.A. Терентьева:

где (10 - вязкость диспергированной суспензии; у - градиент скорости; А;,а! - эмпирические коэффициенты (1=2 или 1=3 в зависимости от концентрации).

Для оптимизации работы действующего или проектируемого оборудования в ЦБП необходимо иметь не только аналитическую связь между напряжением и градиентом скорости т(у), определяемую формулами (1.1) или (1.2), но и более общую аналитич