автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса формования бумажного полотна комплексным воздействием гидродинамических и физико-химических факторов в начальной зоне сеточного стола БДМ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ Р Г б ОД ПРОМЫШЛЕННОСТИ

2 6 АПР 1993

На правах рукописи

Мельникова Татьяна Николаевна

Повышение эффективности процесса формования бумажного полотна комплексным воздействием гидродинамических и физико-химических факторов в начальной зоне сеточного стола БДМ

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-1993

Работа выполнена в Хабаровском политехническом институте

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Александров A.B.

Официальные оппоненты -'засл.деятель науки и техники Российской ¡Федерации, доктор технических наук, профессор Кугушев И.Д. - кандидат технических наук, доцент Ильинский A.M.

Ведущая организация - Уральский лесотехнический институт

•JC j ^

Защита состоится Ji 1993г. в /С часов на

заседании специализированного Совета Д 063.24.01 при Санкт-Петербургском технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул.Ивана Черных, д. 4, зал.заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского технологического института целйшозно-бумЕжной промышленности.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Повышение требований к качественным показателям продукции диктует необходимость совершенствования процесса формования бумажного полотна в начальной зоне сеточного стола.

Для обеспечения качественного формования бумажного полотна в бумажной массы должна поддерживатся равномерная волокнистая структура, так как равномерность распределения волокон предопределяет физико-механические показатели продукции.

■Равномерность распределения волокон, в свою очередь, определяется степенью диспергирующего воздействия, оказываемого конструктивными элементами зоны формования на волокнистую структуру формуемого полотна.

С другой стороны, на качество процесса формования влияют физико-химические свойства бумажной массы и добавки вспомогательных химических веществ, используемых в производстве, эффективность действия которых определяется гидродинамическими характеристика- ■ ми бумажной массы в зоне формования.

Регулируя степень диспергирующего воздействия и дозировку полимерных добавок, можно управлять структурообразованием с целью выработки продукции с требуемыми физико-механическими показателями, что позволяет снизить массу 1 м* выработанной бумаги и картона.

Таким образом, исследование возможности повышения эффективности процесса формования путем оптимального комплексного воздействия гидродинамических и физико-химических факторов является актуальной задачей, решение которой позволяет выработать, обоснованные рекомендации до проектированию и модернизации формующих устройств.

Настоящая работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР по направлению комплексного использования и воспроизводства лесных ресурсов Северо-Западного региона на период 16881990 гг Межведомственного Координационного Совета Академии наук в■ Сайк1Ч1етербурге и республиканской научно-технической йрограммой " Глубокая переработка древесины и биомассы".

Цель работы, Разработка теоретической модели структурообразо-вания бумажного полотна в начальной зоне формования с учетом влияния гидродинамических И физико-механических факторов. Разработка ' метода расчета диспергирующих напряжений вдоль сеточного стола в

начальной зоне формования при использовании полиэлектролитов (ПЭ). Разработка методики оптимизации компоновки обезвоживающих элементов в начальной зоне формования с учетом действия полимерных добавок. Разработка методики и аппаратурного оформления экспериментального исследования комплексного влияния полимерных добавок и виброактивации на качество формования. Экспериментальное исследование влияния гидродинамических и физико-химических факторов на условия процесса формования и структурообразования.

Основные положения методики исследования. Экспериментальные исследования формования бумажного полотна проводились на экспериментальной бумагоделательной машине Хабаровского политехнического института и специально спроектированном и изготовленном устройстве для отлива бумажного полотна, на котором определялись оптимальные расходы водорастворимых ПЗ и режимы вибровоздействия. Конструкция формующей секции экспериментальной БДМ предусматривает возможность регулировать степень диспергирующего воздействия путем изменения расстояния между гидропланками и установки виброактиватора в зоне формования.

Теоретические исследования проводились с использованием физико-математической модели для описания вертикальных смещений сетки с расположенными на ней слоем бумажной массы при добавлении водорастворимых ПЭ.

Научная новизна. Разработана теоретическая модель структурообразования бумажной массы с учетом влияния гидродинамических и физико-химических факторов в зоне формования. Разработана конструкция листоотливного аппарата, позволяющая воспроизводить условия отлива и формования реальных ВДМ. На данное устройство получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства ■ №4828430/12(032733). Экспериментально определено комплексное влияние водорастворимых полиэлектролитов и виброактивации на условия :формования и качественные показатели бумаги. Разработана методика оптимизации компоновки сеточной части с учетом влияния на Процесс физико-химических и гидродинамических факторов.

Практическая ценность. Предложен метод расчета диспергирующих напряжений вдоль сеточного стола в начальной зоне формования при использовании ПЭ, на основании которого разработана методика оптимальной компоновки конструктивных элементов сеточной части. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют разработать обоснованные рекомендации по повышению эффектив-

ности процесса формования с целью равномерного распределения волокон, интенсификации обезвоживания и повышения качества вырабатываемой продукции.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы внедрены в практику проектно-конструкторских работ ЦНИИбуммаша и в производство Чеховского ЦБЗ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях:

1. Международная конференция "Научные основы прогресса технологии производства бумаги". - г. Ленинград, 1991 г.

2. Первый советско-китайский симпозиум "Современные проблемы научно-технического прогресса Дальневосточного региона".-г. Хабаровск, 1991 г.

3. Второй международный симпозиум по ускорению научно-технического прогресса на Дальнем Востоке. - г. Харбин, КНР, 1892 г.

Публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи!

Объем работы. Диссертация представлена на 159 страницах майР нописНого текста; содержит 8 таблиц и 52 рисунка.

Структура работы. Диссертация состоит_Из введения, четырех глав, выводов, приложения и библиографии, содержащей 135 наимёно-ваний. _ ___

Автор защищает:

1. Теоретическую модель структурообразовани*? бумажного полотна с учетом влияния •гидродинамических и физико-химических факторов.

2. Метод расчета диспергирующих напряжений вдоль сеточного стола в начальной зоне формования при применении ПЭ.

3. Методику оптимизации компоновки обезвоживающих элементов в начальной зоне формования с учетом действия полимерных добавок.

4. Методику и аппаратурное оформление экспериментального исследования комплексного влияния полимерных добавок и виброактивацни на качество формования.

5. Результаты экспериментальных исследований по совместному влиянии» водорастворимых полиэлектролитов и ЕИброактивации на условия формования и качественные показатели бумаги.

6. ПромыилеННую апробацию работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и основные положения работы.

В первой главе проведен критический анализ литературы по вопросам, посвященным экспериментальным и теоретическим исследованиям по влиянию физико-химических и гидродинамических факторов на процесс формования бумажного полотна. Показано, что эффективность процесса формования определяется гидродинамическими характеристиками потока и физико-химическими свойствами бумажной массы и добавок ПЭ.

На основе проведенного анализа сделаны следующие выводы:

1. Процесс формирования бумажного полотна на сеточном столе в значительной мере определяется гидродинамическими и физйко-хи-мическими факторами. В настоящее время отсутствуют аналитические зависимости, отражающие взаимосвязь и взаимовлияние указанных факторов.

2. Обезвоживающие элементы начальной зоны формования обеспечивают наряду с функцией обезвоживания эффективное диспергирование потока бумажной массы. На данный момент практически отсуству ют методики, позволяющие оптимизировать компоновку сеточной части с учетом их диспергирующей и обезвоживающей способностей, в зависимости от гидродинамических факторов и физико-химических свойств бумажной массы.

3. На качество формования бумажного полотна влияют физико-химические свойства бумажной массы и добавки вспомогательных химических веществ, эффективность действия которых определяется гидродинамическими характеристиками потока. В настоящее время практически отсутствуют данные, позволяющие оценить влияние.полимерных добавок на процесс структурообразования в зоне отлива и формования.

4. Отсутствуют методики и аппаратура экспериментального исследования комплексного влияния полимерных добавок и виброактивации на качество формования.

В связи с изложенным ставятся задачи исследования:

1.. Разработка теоретической модели структурообразования бумажного полотна в начальной зоне формования с учетом влияния гидродинамических и физико-химических факторов.

2. Разработка метода расчета диспергирующих напряжений вдоль

Расчетная схема для определения скоростей сдвига в потоке волокнистой суспензии

У

&

о1

хж

т

кг

Рис. 1.

сеточного стола в начальной зоне формования при использовании ПЭ.

3. Разработка методики и аппаратурного оформления экспериментального исследования комплексного влияния полимерных добавок и виброактивации на качество формования.

4. Экспериментальное исследование влияния гидродинамических' и физико-химических факторов на процесс структурообразования бумажного полотна. .

Б. Разработка методики оптимизации компоновки сеточной части с учетом диспергирующей и обезвоживающей способностей обезвоживающих элементов (в зависимости от гидродинамических и физико-химических факторов).

6. Проверка полученных экспериментальных данных в условиях .! действующих БДМ.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям совместного влияния гидродинамических и физико-химических факторов на . диспергирование бумажной массы в начальной зоне формования.

Анализ процесса формования бумажного полотна показал, что степень диспергированное™ потока определяется не только конструк- ' тйвкши параметрами машины и гидродинамическими факторами, но и фязИКО-хйМчесйМ/и свойствами бумажной массы и добавок ПЭ. За счет .изменений вертикальных смещений сетки и расхода ПЭ можно регулч-

ровать диспергирующее воздействие на поток массы и, таким образом, управлять структурообразованием бумажного полотна.

Для описания вертикальных смещений сетки на участке между обезвоживающими элементами принята расчетная схема, представленная на рис. 1. Баланс сил, действующих на расчетном участке, имеет вид:

сИ

(1)

где - время, с ;

функция изменения линейной плотности бумажной массы;

Т - натяжение сетки, %*.

При рассмотрении установившихся колебаний

Добавка ПЗ изменяет водоотдачу бумажной массЫ, влияет на скорость обезвоживания

J(*)=/>*■-А'

, Л (3)

где Д>- угол наклона (рис. 1).

Полагая скорость движения сетки постоянной и учитывая (2), запишем уравнение (1) в виде: - ■

• Компоненты тензора скоростей деформации в бумажной массе при постоянной скорости движения сетки могут быть определены в виде:

Выражая из уравнения (5) -дуг и проведя подстановку в уравнение (4) Получаем зависимость для определения скоростей сдвига:

■у- т^ УЫ ^ Я

где вынуждающая сила.

Для каждого участка расчетной схемы определяем Р^*} и

участок о ^ л ^

¿■■r.&f^äS/^f))3 (7)

-л-(А *u/n.(f))3- х ausist Л]. участок. < >tF ¿Jz; - f-I-C* atesia (f)lJ

Ffw = fa^tes/n (~)-x-^UJist pfj- j/j^ry-

участок Я < 2-я.

уД/ ^fa-fiz-j-gl-^ 6/*/= fr*-*- ¿fj-s-r-j;

(8)

(9) (10)

(11)

(12)

участок г. Я <2.ß. /7

Jw -- ¿V- £Л ыа/л/УЗ, (13)

FI- /«? (Htcsmffi)- tvtatn/^-)* (14)

* W-^J;

участок Л в

JM = f-J- ■{at£j/n{fJ)i/#- ** ttfjf+Щ

F^; - si- £ p/'j;)

где f-

безразмерный коэффициент; I - ширина сетки, м; К - коэффициент фильтрации, X" - радиус регистрового вала, м;

(15) (18)

гидравлическое сопротивление сетки.

Подставляя выражение (7М16) в уравнение (8) получаем выражение для определения распределения скорости сдвига вдоль горизонтальной координаты.

' Переход к диспергирующим напряжениям осуществляется по формуле ;

где - прочность волокнистой структуры;

й - коэффициент, характеризующий увеличение прочности;

коэффициенты, определенные из реологических кривых.

Выполнение условия означает, Что бумажная масса поддер-

живается в диспергированном состоянии.

Таким образом, полученная теоретическая модель позволяет оценить степень диспергирующего воздействия конструктивных элементов в зависимости от гидродинамических факторов и расхода ПЭ,

Разработан метод расчета диспергирующих напряженишй вдоль сеточного стола, который заключается в последовательном расчете диспергирующих напряжений на следующих друг за другом расчетных участках между обезвоживающими элементами.

На основании- Предложенного метода расчета диспергирующих •напряжений вдоль сеточного стола разработана методика оптимиза-. ции компонбвки обезвоживающих элементов регистровой части. В основу методики положен последовательный расчет расстояний между обезвоживающими элементами, При которых диспергирующие напряже- • ния в потоке бумажной массы начинают превышать прочность волокнистой структуры. Составлены программы расчета диспергирующих напряжений вдоль сеточного стола и оптимизации компоновки обезволивающих элементов с учетом их диспергирующей способности и добавок ПЭ. ' '

. В третьей главе обосновывается выбор экспериментальной установки для проведения исследований, приводится описание основных узлов установки. . ,

Представлены методики проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных.

Гидродинамические параметры потока бумажной массы определя-

лись путем обработки измерений, проведенных с помощью пьезокера-мического датчика давления.

Скорость обезвоживания бумажной массы и динамический коэффициент фильтрации определялись на специально разработанном и изготовленном листоотливном аппарате, позволяющем моделировать процессы с использованием разработанных в работе критериев.

Прочность волокнистой структуры определялась на устройстве для определения' предельного напряжения сдвига вязко-пластичны* масс.

В качестве рабочих суспензий использовались бумажные массы для производства газетной, этикеточной, форзацной бумаг и сульфатная лиственная небеленая целлюлоза.

В качестве добавок использовались водорастворимые полимеры: Полиакриламид и модифицированные полимеры катионного типа ЗапИос, АгопПос, РгаеэШ различных марок.-

Основные физико-механические показатели качества бумаги, удержание мелкого волокна и концентрация полимера в регистровой воде определялись по общепринятым методикам.

Четвертая глава посвящена анализу экспериментальных исследований, их сопоставлению с результатами численного исследования, представленного во второй главе.

Основная цель проведенных экспериментальных исследований заключается в исследовании возможности повышения эффективности процесса формования комплексным воздействием гидродинамических и физико-химических воздействий.

Иследовано . влияние ПЭ на прочность волокнистой стркутуры при виброактивации бумажной массы, Экспериментально доказано существования оптимальных режимог. виброактивации бумажной массы и оптимальной дозировки ПЭ, определяемой его типом и видом применяемой бумажной массы, для'достижения минимальной прочнооти волокнистой структуры. Комплексное воздействие ПЭ и вйброактивации позволяет. управлять прочностными характеристиками при-минимальном расходе ПЭ. Определены значения прочности волокнистой структуры для исследуемых видов бумажных масс различных концентраций, которые являются исходными данными для расчета диспергирующих Напряжений вдоль сеточного стола. .

Показано влияние вида и дозиройки ПЭ На скорость обезвоживания и удержание волокна при виброактиваций бумажной массы; Наибольшее влияние на скорость обезвоживания оказывает ПЭ катионно-

динамика изменения интенсивности пульсаций давления в начальной зоне формования

1 - газетная бумажная масса без ПЭ и без виброактивации; , 2 - 6.М..+ 0,0$ к а.с.й. ПЭ{ 3 - б.м. без ПЭ при J =85 Гц;. 4 - f.M. + O.Olji ПЭ прй ¿f =65 Гц.

Рис. 2.

го типа при оптимальной частоте" виброактивации.. Определены оптимальные дозировки ПЭ и режимы вибровоздейотвия для исследуемых видов Waco, которые ,обеспе*1ийают интенсификацию процесса обезвоживания при одновременном увеличении удержания волоКна.

Проведено . исследование комплексного влияния добавок ПЭ и виброактивации на структуру потока в начальной зоне формования.

Совместное влияние дозировки ПЭ и виброактивации на разрывную длину бумаги

1 - б.м. без ПЭ; 2 - б.м. + 0,01?£ ПЭ; 3 - б.м. + 0,0Б?£ ПЭ; 4 - б.м. + 0,1* ПЭ.

Рис. 3.

На рис. 2 представлены экспериментальные данные, показывающие динамику пульсаций давления, генерируемых в бумажной массе на участке между бибропланкой и следующей по ходу гидропланкой. Из анализа представленных данных следует, что максимальное.значение пульсаций давления, обуславливающие диопергирс>вание бумажной массы, достигается при комплексном воздействий на поток волокнистой суспензии виброактивацией и добавок ПЭ.

Проведенные экспериментальные исследования по влиянии расето-

яния между гидропланками на интенсивность пульсаций давления показали, что существует оптимальные расстояния для конкретной скорости БДМ, превышение которого приводит к резкому снижению интенсивности пульсаций давления. Причем, это расстояние будет максимально допустимым при комплексном воздействии ПЭ и виброактивации.

Для оценки комлексного воздействия виброактивации и ПЭ на эффективность процесса формования проведено исследование взаимовлияния этих факторов на физико-механические показатели качества бумаги.

Совместное влияние ПЭ и виброактивации на разрывную длину показано на рис, 3. Из анализа экспериментальных данных видно, что максимальная разрывная длина наблюдается при оптимальном расходе ПЭ и виброактивации о оптимальной частотой и амплитудой.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований были предложены рекомендации по оптимизации компоновки обезвоживающих элементов начальной зоны формования Чеховского ЦБЗ с Целью обеспечения равномерности распределения волокон для повышения эффективности формования. . •

Предоженная компоновка позволяет снизить массу 1 м вырабатываемой бумаги на 0,7 г при сохранении показателей качества, что позволяет получить экономический эффект 118,668 тыс. рублей. Методика расчета диспергирующих напряжений внедрена в практику проектно-конотрукторских работ ЩШбумМаШа.

; • •■ • ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана теоретическая модель структурообразования бумажной массы с. учетом влияния гидродинамических и физико-химичео-ких факторов в зоне формования.

• 2. Разработан метод расчета диспергирующих Напряжений вдоль сеточного стола в начальной зоне формования при применений ГО.

3. Разработана методика оптимизации компоновки обезвоживающих ¡элементов оеТоЧйоЙ части с учетом их диспергирующих способностей.

'4. Исследовано комплексное' влияние водорастворимых поли-электроЛкТоа и виброактиваций на условия отлива и формования и качественные Показатели бумаги.

, 5. Предложена принципиально новая конструкция шетоотливного аппарата, позволявшая моделировать условия отлива и формования

реальной БДИ.

б. Результаты работы внедрены в практику проектно-конструк-торсних работ ВДИИБуммаша и в производство Чеховского ЦБЗ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СВДУЩИХ РАБОТАХ:

1. Александрой A.B., Мельникова Т.Н., Ризаев 'С.Ю. Влияние полтлектролитов на прочность волокнистой структуры при виброак1-тивации бумажной массы» /Хабаровск, 1991» — 8 o»i ил. г — в ВНИИПИЭИлеспроме 23.12.1991, № 2814-лб-91.

2. Александров A.B., Мельникова Т.Н., Ризаев С.Ю., Карплкж А.Ф.! Исследование интенсивности обезвоживания, и удержания волокна при добавлении водорастворимых политектролитов И виброактивации бумажной массы. / Хабаровск, 1991. .-6 е.: ил.: - Деп. в БНИШИЭИ-леспромв 23.12.1991, № 2815-лб-91.

3. Александрой A.B., Карплюк А.Ф., Мельникова Т.Н. Управление процессом структурообразования в потоках волокнистых суспензий.

// Современные проблемы научно-технического прогресса Дальневосточного региона с учетом развития прямых советско-китайских связей: Тезисы докл. первого_со_ветско-китайского симпозиума./Хаба-ровск, июнь 21-25, - 1981. - 54. '

4. Aleksandrov A.V., KarpTjiik A.F., Meinikova T.N. Control " of Pulp Structure Formind Process in Formation Uniie of PaJjer ' Machines. // The second international syftposiua öti promotion of the 'scientlflc and techological • progress in" the Fär Easi i '"Proceeding, / Harbin, Sept. 21-25. - lB92. - p. 114^118.