автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Разработка и исследование напорного ящика с комбинированным диспергатором для напуска массы с повышенной концентрацией

Санкт-Петербургский технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности

На правах рукописи

ШЕРВАШВДЗЕ Георгий Григорьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАПОРНОГО ЯЩИКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ДИСПЕРГАТОРОМ ДЛЯ НАПУСКА МАССЫ С ПОВЫШНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 19931

Работа выполнена в Санкт-Петербургском технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Тихонов Ю.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Климов В.И.

кандидат технических наук, доцент Ильинский A.M.

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

бумагоделательного машиностроения (НПО Буммаш)

Защита состоится " ^ " bMcfftF^, 1993 года в fo часов нк заседании специализированного совета Д 063.24.01 при Санкт-Петербургском технологическом институте Целлюлозно-бумажной промышленности по адресу: 19609.5, Санкт-Петербург, ул.Ивана Черных, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского технологического института целлюлозно-бумажной промышленности.

Автореферат разослан " &" jf/fJefjpJ? 1993 г.

Учёный секретарь специализированного совета

С.Н.Швецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность темы

Как известно, главным недостатком традиционного способа формования бумаги и картона при концентрации бумажной массы О,'6 + 0,9 % является наличие больших потоков оборотной воды с высоким содержанием мелкого волокна и химикатов, что приводит к их значительным потерям, выбросу сточных вод и значительному расходу воды и электроэнергии. Применение замкнутой системы водоснабжения не решает проблемы, так как происходит непрерывное накопление мелкого волокна в циркуляционных потоках, а также происходит образование слизи от многократной циркуляции мелкого волокна и химикатов мелкой фракции, которая загрязняет сетку и оборудование машины.

Одним из эффективных путей решения этих вопросов является способ формования бумаги и картона из массы повышенной концентрации. Решение проблемы формования бумажного полотна из массы повышенной концентрации (1,5*3 %) сопряжено с достижением'существенных технических и экономических преимуществ по сравнению с существующей в настоящее время технологией производства бумаги с формованием при концентрации около одного процента. Отмеченные преимущества могут быть оценены следующим образом: сокращение объема потребляемой воды в несколько раз, снижение энергоемкости оборудования, сокращение размеров сеточной части бумагоделательной машины, экономия в расходе наполнителей бумажной массы, снижение в расходах на очистное оборудование и облегчение условий охраны от загрязнения водных бассейнов.

В настоящее время ведущие фирмы ведут разработку данного способа.

Наиболее далеко в этом направлении продвинулась фирмы "Альстрем", которой удалось В полупромышленном варианте получить несколько сортов картона, а также в промышленном варианте разработать технологию производства многослойного картона,в которой средний слой картона формируется при концентрации массы 1,5 + 3 5?.

Однако, картон и бумага, целиком получаемые таким способом, уступают по ряду механических показателей соответствующим продуктам,' вырабатываемым традиционными методами; Зто объясняется в первую очередь недостаточно удовлетворительной.конструкци-

ей напорною ящика, который не обеспечивает необходимые требования,предъявляемые к потоку бумажной массы концентрацией С =1,5%, напускаемому на сетку бумагоделательной машины.

В теоретическом плане для решения этой проблемы разработаны реологическая модель волокнистой суспензии концентрацией до 3 % и методологический подход к исследованию процесса дисперга-ции. Исследован на их основе диспергирующий элемент струя-преграда, используемый в напускном устройстве "4'орм-йлоу".

Однако выбор конкретных диспергирующих элементов для напорного ящика для массы высокой концентрации и их расчет являлся затруднительным.

Работа проводилась в соответствии с планом проведения Государственной научно-технической программы "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья", задание 4.2.6 "Разработка технологии формования картона из массы повышенной концентрации (С= 1,5+2,5 %)". Цель работы:

1. Разработать теоретические предпосылки для выбора и расчета диспергирующих элементов напорного ящика.

2. На их основе разработать модель напорного ящика, позволяющего повысить характеристики потока бумажной массы повышенной Концентрами (1,5+2,5 %), выходящего из напорного ящика.

3. Провести испытания модели напорного ящика.

4. Разработать рекомендации к проектированию проточной части напорного ящика для массы повышенной концентрации..

Научная новизна

Разработаны теоретические предпосылки для выбора диспергирующих элементов напорного ящика для массы концентрацией С = 1,5 + 2,5 %.'

Предложен метод расчета диспергирующей камеры напорного ящика для массы С = до 2,5 %.

Предложен гидродинамический способ выравнивания потока массы по ширине напорного ящика. Практическая значимость

Работа выполнялась по договору К 602 на создание и передачу НТП "Разработка и изготовление модели массоподающего устройства". Результаты работы внедрены на Ингурском ЦБК и Тбилисской бумажной фабрике для создания опытно-промышленного образца напорного ящика для'массы С= 1,5+;2,5 % при производстве верхнего слоя картона для гладких слоев гофрированного картона й верх-

него слоя бумаги упаковочной 2-х слойной для упаковки папирос и сигарет с экономическими эффектами 290 и 710,8тыс.рублей в год соответственно.

Предложена новая конструкция напорного ящика для массы С= 1,5 ♦ 2,5 %, позволяющего повысить'характеристики потока,выходящего на сетку бумагоделательной машины.

Проведенные испытания этой модели показали возможность создания опытного полупромышленного образца для производства картона целиком из массы С = 1,5 + 2,5 %.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международной конференции "Научные основы прогресса технологии производства бумаги", проходившей 12-14 сентября 1991 г. в Ленинграда.

Публикация работы

По результатам работы опубликованы 4 научных труда, иа них 2 авторских свидетельства на изобретение. Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 154 страница*, иллюстри-руется?Г рисунком и13таблицами и состоит, из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы из 49 наименований И , '6 приложений на 25 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Теоретические предпосылки для выбора диспергирующих элементов проточной части напорного ящика для массы концентрацией 1,6 + 2,5 %.

2) Методика расчета элементов проточной части напорного ящика для массы концентрацией 1,5 + 2,5 %.

3) Конструкция напорного ящика для массы концентрацией 1,5+2,5$.

4) Рекомендации по выбору оптимальных геометрических размеров элементов напорного ящика для массы концентрацией 1,5+2,5 %,

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОЩ

Во введении обосновывается актуальность темы. Рассматриваются преимущества и недостатки способа формования бумажного полотна из массы повышенной концентрации. Показана необходимость разработки главного элемента системы формования при использовании массы повышенной концентрации - нового напорного ящика.

В первой главе проведен анализ исследований, прямо или косвенно связанных с выбором и расчетом элементов проточной части напорных ящиков. Показано, что диспергирующие элементы создают в потоке волокнистой суспензии локальную область с положительным градиентом давления, в которой генерируется турбулентность, диспергирующая поток. Факторами, определяющими степень дисперсности потока, являются реологическая характеристика суспензии, ' градиент скорости, интенсивность турбулентности и ее поперечный масштаб, уровень 'диссипации энергии. Оценка степени дисперсности потока через гидродинамические параметры осуществляется через энергетический спектр турбулентности и реологическую характеристику суспензии.

Показано, что оптимальной конструкцией напорного ящика для массы концентрацией 1,5 + 2,5 % с точки зрения существующей теории является конструкция струя - преграда - напускной канал, используемая в напорном ящике "Форм-Флоу".

Однако, напорный ящик "Форм-Флоу" не обеспечицеет удовлетворительных параметров потока, напускаемого на сетку бумагоделательной машины, которые бы обеспечивали условия для формования картона целиком из массы концентрацией 1,5 •!■ 2,5 %, а существующая теория выбора диспергирующих элементов не позволяет прогнозировать более оптимальную конструкцию напорного ящика.

По результатам литературного анализа поставлены следующие задачи:

1) разработать теоретические предпосылки для выбора элементов напорного ящика для массы концентрацией 1,5 * 2,5

2) на основе этих предпосылок предложить конструкции напорного ящика и произвести расчет его элементов;

3) провести экспериментальную проверку работоспособности элементов напорного ящика и его в целом;

" 4) разработать рекомендации по выбору оптимальных геометрических размеров элементов напорного ящика.

Вторая глава посвящена решению поставленных задач. Показано, что процесс диспергирования волокнистой суспензии определяется удельной работой турбулентных вихрей в единицу времени, то есть диссипацией энергии <5 3

где кинематическая вязкость разрушающегося

волокнистой структуры, определяющаяся из реологической характеристики конкретной бумажной суспензии фис.1) как: ст ■

¡>=т&

Як/)

^- размер диспергирующегося объема.

Реологическая характеристика сульфитной небеленой целлюлозы при различных концентрациях

щ

&0 120 /60

Градиент скорости

Рис.1

Для полной диспергации суспензии на волокна необходимо, согласно (I), выполнение соотношения: з

где - (1,5 * 3).10"~ мм - длина волокна.

С другой стороны, согласно баланса энергии, диссипация оп-

,-3

(2)

ределяется как:

и'-

со

л.

¿X

/3

(3)

где ы ~ пульсационная скорость;

- поперечный интегральный масштаб турбулентных вихрей; Дш опытный коэффициент, зависящий от Рейнольдса турбулентности

Оценена работоспособность на основе формул (1-3) двух типов диспергирующих элементов, используемых в напорных ящиках "Сим-Флоу" и "Форм-Флоу" на примере потока сульфитной целлюлозы, из которого формуется полотно массой I и*1 75 г при различных концентрациях и скоростях сетки. Результаты вычислений приведены на рис.2.

Зависимость степени диспергации потока от расстояния

_ 10*1___

ЗоНа полной

дисперсности,

0,2 0,4 0,6 0,8 Расстояние от решетки X, м

Рис.2

Из рис.2 вытекает, во-первых, возможность применения критериев (1+3) для оценки диспергирующей способности элементов напорных ящиков, поскольку они дают результаты, примерно совпадающие с реальными, во-вторых, что диспергирующая секция "Форм-Флоу" не обеспечивает удовлетворительной диспергации потока массы концентрацией С> 2 % при скорости сетки менее 820 м/мин, что ограничивает применение напорного ящика "$орм-Флоу".

На основе выведенных оценочных формул, связывающих изменение массы I м2 А^ с прогибом напускной губы дЬ , показано,

что требования к точности механической регулировки прогиба губы по ширине возрастают и могут стать невыполнимыми.

Показано, что в напорном ящике для массы повышенной концентрации образуются отрывные течения, которые могут привести К пульсациям массы м^ по длине машины.

На рис.3 изображена конструкция.напорного'ящика для решения поставленных задач, который работает следующим образом. Масса из . коллектора I распределяется по разгонным патрубкам 2, где приобретает высокую скорость и поступает в первую диспергирующую камеру 3. Высокоскоростные струи массы, попадая в специальную выемку, -разворачиваются навстречу поступающим из патрубков 2 струям, в результате чего происходит быстрое торможение всего объема потока, так что градиенты скорости и давления очень высоки, что сопровождается интенсивной турбулизацией потока и, как следствие, интенсивной диспергацией массы. Диспергированный на мелкие флокулы и волокна поток, втекая в промежуточные узкие каналы 4, приобретает высокую скорость и диспергируется полностью на волокна в камере 5. Диспергированный поток затем разделяется на потоки,.один из которых идет в напускной канал 6, а другой с небольшим расходом в отводной канал 7 и далее в компенсирующую камеру 8, Образующиеся в камерах, а такие проводящие через камеры пульсации давления сглаживаются непосредственно перед входом в напускной канал. С помощью нагнетательной установки 17 по трубам 16 в секции блока регулировки 12 поступает вода, причем расход её регулируется вентилем 16, которые могут быть в промышленном варианте выполнены с блоком автоматического привода и связаны с . измерителем массы I м^ полотна. Поступающая через отверстия 14 вода в.напускной канал 6 передает свой импульс массе и в зависимости от его величины меняет расход массы. Изменяя с помощью вентилей .16 расход воды, можно изменить локальный расход массы, вытекающей на сетку, и тем самым повысить точность компенсации ■ деформации напускного канала, грубая регулировка которой выполняется механизмами поперечного и продольного перемещений 9,10.

Расчет регулировки выполнялся на основе теории импульсов для схемы, изображенной на рис.4, с учетом уравнений материального баланса, который возможен аналитически только при условии И" * • При этом условии скорости выхода воды /¿л?ком-пенсирующий прогиб губы а Ь определится:

Р; 2h. li нот 2 Ьх""'

V = *к. /,.-</ У

где 1,05-Ю-6

_ Се

¡1цап- ¿к- высота канала при выходе массы Г - средняя высота канала

йР = 455,6 Л - (Ь}'10,,-^) ] ~ перепад давления в

&' напускном канале.

Схема экспериментального напорного ящика

, Рис.3'

На.рис.5* согласно (4), приведены графики изменения расходов + д (¡1 на 100 мм ширины напорного ящика в зависимости_от величины прогиба губы ¡/¡Ь от^средних, значений расходов $ , соответствующих условиям К " - Уо " при различных концентрациях и скорости сетки для массы I мй - 75 г.

Из сравнения схем течения'в диспергирующих камерах "Форм-Флоу" и предлагаемого ящика, изображенных на рис.6, сделан вывод, что степень диспергации массы в предлагаемой камере будет

Схема распределения скоростей в губе напорного ящика

Рис.4 ¿р

выше, чем у "Форм-Флоу", есди градиент давления / в предлагаемой камере будет равен или больше градиента давления в камере "Форм-Флоу". Исходя из этого условия сравниваются две рас-, четные схемы, соответствующие обеим диспергирующим камерам, и обосновываются оптимальные размеры.диспергирующей камеры предлагаемого ящика.

Третья глава посвящена описанию экспериментальной установки, методике проведения эксперимента и изложению результатов эксперимента.

Схема экспериментальной установки изображена на рис.7.

Эксперименты показали, что напорный ящик запускался и работал стабильно при всех диапазонах концентрации до 2,5 % И во всех диапазонах скоростей сетки. Перфорированный сектор оказывал отрицательное влияние в плане струйности потока и после его съема струйность визуально исчезла. ,

Результата! экспериментов показали возможности компенсации прогиба губы гидравлическим способом и приведены на рио.8<

Зависимость компенсирующего расхода воды от изменения высоты щели в экспериментальной напорной ящике на расчетном режиме

(?'*', у*"»

! -4* -в/ о щ 0,г о.з ^ I Изменение высоты щели

Рис.б.

Схема течения в диспергирующих камерах ■а) "Еорм-Флоу", б) предлагаемой

. Ркс.б

Схема экспериментальной установки по исследованию характеристик потока в напорном ящике

I - бак основной, Г- 3 м^; 2 - насос фекаль.мй; 3 - расходомер ИР-61; 4 - бачок мерный ,~УЛ= 1,5

5 - диффузор приемный; 6 - бак воды; 7 - насоо двухстепнчатый; 8 - коллектор; 9 - ротаметры типа РС-0,4 НСЧЗ; Ю - датчик пульсационного давления^

II - показывающий прибор

' .. Рис.7

Зависимость компенсирующего расхода воды от изменения высоты щели в экспериментальном напорном ящике

Результаты оценки диспергирующей способности диспергирующей камеры приведены на рис.9.

Зависимость уровня дисперсности £ от расстояния

>

л X

и

«

о й*

\

С. =2.5?.

х ч ■

ЗоА/<т "Э&слерей* /сер тон* >. С ЛА

А-- (.--1,7/.

У

1/¿Ъф

к?

Расстояние до преграды Рис.9

Ька.

Выводы

1. Разработаны теоретические предпосылки для выбора и расчета диспергирующих элементов напорного ящика для массы повышенной концентрации.

2. С помощью полученных Критериев рассмотрены элементы проточной части напорных ящиков и предложена конструкция напорного ящика для массы С = 1,5 + 2,5 %.

3. Произведен расчет элементов проточной части предлагаемого напорного ящика. ' _ •

4. Пройэведена экспериментальное исследование работа предлагаемого напорного ящика.

5. Получены положительные результаты в плане его работоспособности для проектирования опытно-промышленного образца.

6. Получена удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных данных.

7. Разработка и испытание модели опытного напорного ящика принято и внедрено на Тбилисской бумажной фабрике для проектирования опытно-промышленного образца для производства нижнего слоя бумаги пачечной, двухслойной для упаковки папирос и сигарет.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Шервашидзе Г.Г., Тихонов U.A., Юдович Г.Б., Кулемин Б.М., Васильева С.Г., Синегубов С,С».Гидродинамические условия дис-пергации .волокнистой суспензии //Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства; ЙежвУзГсО.^аучн.тр./ЛТИ ЦЕЛ.'

¡ - Л., Í969, С.42-45.'

2. Напорный ящик бумагоделательной машины: A.c. .1721156 СССР, ШйГ Д 21 F 1/02 /Ю.А.Тихонов, О.А.Терентьев, Б.М.Кулемин, Г.Г.Шервашидзе (СССР). -8с.: ил,

3. Напорный яцик для массы высокой концентрации: А.с; I7405I8 СССР, ЫКИ5 Д 21 F 1/02 /Ю.А.Тихонов, О.А.Терентьев, Б.М.Кулемин, Г.Г.Шервашидзе (СССР). - Юс.:ил.

4. Тихонов Ю.А., Кулемин Б.М., Терентьев O.A., Щервашидзе Г.Г. Вопросы технологии формирования бумажного полотна из массы концентрацией I,б+З % //Научные основы прогресса технологии :произврдства бумаги: Тез.докл.междун.конф. Сентябрь 1991г.-Ленинград, 1991. '- С.25-26..