автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Закономерности формования и методы технологических расчетов обезвоживания макулатурной массы на сеточном столе бумагоделательной машины

Введение.

1. Аналитический обзор научно-технической литературы.

1.1 Проблемы переработки макулатуры.

1.2 Технологии переработки макулатуры.

1.3 Особенности переработки влагопрочной макулатуры.

1.4 Анализ литературы по формованию и обезвоживанию волокнистых суспензий.

1.5 Выводы и постановка задачи.

2. Теоретическое обоснование процессов формования и обезвоживания вторичных волокон на сеточном столе.

2.1 Закономерности обезвоживания и формования суспензии вторичных волокон.

2.1.1 Уравнение Дарси-Кугушева.

2.1.2 Отклонение закона Дарси при обезвоживании волокнистой суспензии из макулатуры в сеточной части бумагоделательной машины.

2.1.3 Математическая модель обезвоживания волокнистой суспензии из вторичных волокон.

2.1.4 Коллоидно-химические факторы процесса фильтрации макулатурной массы.

2.1.5 Предельное время формования.

2.2 Моделирование процесса листообразования.

2.2.1. Аналитическое выражение процесса листообразования.

2.2.2. Подобное преобразование уравнений листообразования.

3. Методы расчета обезвоживающих элементов сеточного стола.

3.1 Скорость фильтрации при отливе листа бумаги.

3.2 Обезвоживание на регистровом валике.

3.3 Обезвоживание на гидропланках.

3.4 Обезвоживание и формование на мокром отсасывающем ящике.

3.5 Математическое описание обезвоживания бумажной массы под действием разрежения.

4. Экспериментальные исследования и их обсуждение.

4.1 Определение коэффициента фильтрации.

4.2 Определение удельной поверхности вторичных волокон.

4.3 Определение параметров закона гиперболического синуса.

4.4 Методика определения потенциала протекания.

4.5 Изучение бумагообразующих свойств суспензии макулатуры.

4.6 Определение фильтрационно-компрессионных свойств бумажной массы.

5. Практическое применение результатов исследований.

5.1 Расчет обезвоживания при подпрессовке литых бумажных изделий.

5.2 Проверочный расчет отсасывающих ящиков бум.машины ОАО «Уральская бумага».

5.3 Пример расчета отсасывающих ящиков картоноделательной машины №2 Одесского рубероидного завода.

В последнее десятилетие достижения науки и техники привели к значительной интенсификации производства бумаги и картона. Характерной чертой этого периода является не только рост объемов производства, но и создание принципиально новых технологических процессов и видов основного оборудования. Эти изменения коснулись, в основном, формования бумаги и картона.

Широкое внедрение в производственную практику современных видов оборудования отразилось на технологических аспектах процесса формования, в частности, создало возможности для эффективного использования полуфабрикатов высокого выхода и макулатуры, получения печатных видов бумаги с уменьшенной разносторонностью, выпуска продукции с улучшенными потребительскими свойствами. Использование современных формующих устройств и отдельных узлов основного оборудования создает предпосылки для решения ряда важнейших технологических проблем, в том числе снижения массы 1 м2 бумаги и картона.

Сеточная часть является главным участком бумагоделательной машины, где осуществляются начальные технологические процессы, связанные с отливом и обезвоживанием бумажного полотна. Эти процессы определяют возможную производительность машины. Пути повышения производительности машин и улучшение качества бумаги тесно связаны с техническим совершенством каждого конструктивного элемента сеточной части и его соответствием требованиям технологии.

Процесс отлива и формования бумажного полотна на сеточном столе бумагоделательной машины происходит в сравнительно сложных физических условиях. Сложность процесса отлива определяется различными факторами, действующими совместно и одновременно: состав бумажной массы, ее разнообразные физико-химические, фильтрационные свойства, зависящие от рода применяемых полуфабрикатов, наполнителей и проклеивающих веществ, гидравлический режим, кинематические параметры машины. Сеточная часть должна быть рассчитана и сконструирована таким образом, чтобы каждый ее участок служил целям качественного отлива и обезвоживания бумажного полотна и на ней не должно быть так называемых «мертвых» пространств, не служащих этим целям. В связи с этим, как объяснение механизма явлений, так и их математическая трактовка представляют большие трудности и еще далеко не ясны. В общей задаче об условиях отлива и формования бумажного полотна на сетке существенное значение имеет вопрос о гидродинамических процессах. Поэтому ряд основных параметров бумагоделательной машины должен определяться в результате расчета гидродинамических процессов.

В отечественной технической литературе проблемы формования и обезвоживания бумажного листа освещены не достаточно. Наиболее подробно и глубоко эти вопросы освещены, пожалуй, в единственной, посвященной этому монографии И.Д. Кугушева «Теория процессов отлива и обезвоживания бумажной массы», изданной в 1968 году и поэтому во многом устаревшей.

Появившиеся новые обезвоживающие, двухсеточные и многосеточные устройства для формования бумажного листа требуют систематизации материала о них.

Основным видом сырья для производства волокнистых материалов в настоящее время, как и в обозримом будущем, остается древесина и в первую очередь хвойные породы.

Однако, при дефиците древесины хвойных пород возрастает значение других видов волокнистого сырья и в первую очередь лиственных пород и низкосортной древесины, отходов лесопиления и деревообработки, вторичного волокна - макулатуры.

Использование макулатуры приводит к значительному сокращению расхода древесного сырья и, следовательно, к сохранению лесных богатств.

В результате применения макулатуры значительно сокращаются удельные расходы электроэнергии, тепла, химикатов, воды, затрат живого и овеществленного труда.

Наконец, максимальное использование макулатуры имеет большое экологическое значение в связи с сохранением лесных массивов, санитарной очисткой населенных пунктов от твердых отходов. При использовании макулатуры значительно сокращается потребление свежей воды, расходуемой при выработке бумаги и картона, и, следовательно, уменьшается количество сточных вод, подлежащих очистке.

В целях более полного использования макулатуры осуществляются мероприятия по стимулированию ее заготовки и переработке. В широких масштабах осуществляется разработка новых технологических процессов и оборудования для переработки смешанной, несортированной и сильно загрязненной макулатуры, изыскиваются способы эффективного облагораживания запечатанной макулатуры.

Изучение поведения бумажной массы из макулатуры на сеточном столе в процессах его обезвоживания и формования является важной и актуальной задачей.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие основные задачи:

- экспериментальное изучение фильтрационных свойств бумажной массы из вторичных волокон;

- изучение бумагообразующих свойств вторичных волокон;

- описание поведения суспензии из вторичных волокон при напуске на сеточный стол (фильтрация с осаждением осадка);

- описание поведения суспензии из вторичных волокон при обезвоживании под вакуумом (деформация структуры волокон);

- использование теории подобия для описания процесса обезвоживания;

- оценка возможности использования уравнения Дарси-Кугушева для описания обезвоживания бумажной массы из вторичных волокон;

- разработка методов технологических расчетов процессов обезвоживания на конкретных обезвоживающих элементах;

- на основании полученных результатов разработать оптимальные режимы обезвоживания и формования бумажного листа.

Вторичные волокна по своим бумагообразующим, фильтрационным и другим свойствам существенно отличаются от других полуфабрикатов.

Автор защищает: теоретические и экспериментальные результаты исследований бумагообразующих (фильтрационных, реологических, тиксотропных) свойств бумажной массы из вторичных волокон, а так же их поведение при формовании и обезвоживании бумажного листа, оптимальные режимы формования и обезвоживания бумажного листа, теоретическое и расчетное описание взаимодействия вторичных волокон друг и другом с частицами наполнителей и проклеивающих веществ.

Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексное использование древесного сырья».

1. Установлено существенное различие в фильтрационных и бумагообразующих свойствах вторичных волокон по сравнению с первичными и, как следствие, особенностями конструкции сеточного стола и технологического режима при обезвоживании вторичных волокон.2. Установлен физический смысл эмпирических коэффициентов в уравнении Дарси-Кугушева, что позволило уточнить описание механизма процессов формования и обезвоживания бумажной массы из вторичных волокон.3. Показано, что использование закона гиперболического синуса позволяет более точно разделить процессы обезвоживания бумажной массы из вторичных волокон на сеточном столе на процесс фильтрации с осаждением осадка и процесс фильтрации с уплотнением структуры осадка, и следовательно, более точно рассчитывать длину сеточного стола и время обезвоживания.4. Экспериментально и теоретически показано влияние С, — потенциала на процесс обезвоживания бумажной массы из вторичных волокон на сеточном столе.5. Использование экспериментальных результатов и теоретических исследований, проведенных в работе позволило разработать методы расчета обезвоживания бумажной массы из вторичных волокон на обезвоживающих элементах — отсасывающих ящиках.

1. Фляте Д.М. Бумагообразующие свойства волокнистых материалов. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 136 с.

2. Маслов В.А., Мацук Я.Е., Лысенко В.М. Свойства макулатурной массы для облицовочного картона. // Бумажная промышленность №12, 1982, с. 17-19

3. Мудрик Х.И., Арбузова Г.А. Производство обесцвеченной макулатурной массы. Обзорная информация. М., 1980, 52 с (ВНИПИЭИлеспром)

4. Макулатура: композиция будущего // Целлюлоза, бумага, картон. — 1992, с. 36-46

5. Гетчинг Л. Влияние циклов использования макулатуры на свойства вырабатываемой из нее газетной бумаги. (Дармштадский институт бумаги). «Юропиан Пейпермейкер», 1997, №2, с. 28-30

6. Uhe effects of recycling on paper quality. R.C. Howard. «Journal of Pulp and . Paper», 1990, t/16, №5, p. 143-149

7. Мувундамина M., Ли M. Новейший способ фракционирования волокон смешанной макулатуры, ТАППИ, 1997, №2, с. 149-153

8. Мишина Т.А., Охоткин С.М. и др. Новые полимерно-бумажные композиционные упаковочные материалы. // Бумажная промышленность — №11, 1990, с. 29-30

9. Полная регенерация картона для упаковки напитков. // Целлюлоза, бумага, картон (экспресс-информация). М.: ВНИПИЭИлеспром. - 1992. - вып. 12

10. Macoto Jwasak: Japan Pulp and Paper. 1990. V.28. - №3, p. 35-45

11. Durst R.E., Jenees L.G. The flow properties of paper pulp stocks. Part 1. // Tappi.- 1954. V.37. - №10. p. 417-423

12. Дж. Роберте Производство гильзового картона из макулатуры на финском предприятии. «Палп энд Пайпер Европа». 1997, №2, с. 22-24

13. З.Бобров Ф.Ф. Теория удельной поверхности в технологии бумажного производства // Сообщения о научно-исследовательской работе КПИ. т. VI.- 1947.-с. 5-12

14. Corte H. Entwässerung von Zellstoffsuspensionen durch ruhende Siebe // Das Papier. 1954. -№. 11/12. - S. 205-209

15. Corte H. Über die Verteilung der Massendichte in Papier. Teoretische Grundlagen // Das Papier. 1969. - Bd. 23. - №. 7. - S. 381-393

16. Гаевский Б.А. Машины и аппараты бумажной промышленности. — М.: Машгиз. — 1955. 287 с.

17. Campbell W. The physics of water removal // Pulp and Paper Magazine of Canada. 1947. -№. 3. - p. 103-105

18. Ingmanson W.L., Whitney R.P. The filtration resistqnce of pulp slurries // Tappi. 1954. - v. 37. - №. 11. - p. 523-534

19. Швецов Ю.Н., Ильинский A.M., Слуцкий A.E. и др. Влияние остаточной щелочности массы на работу сеточной части картоноделательной машины // Химия и технология бумаги. Межвуз. Сб. научн. Тр. JITA. - JI. - 1976. -вып. 4. - с. 44-49

20. Han S.T. Compressibility and permeability of fiber mats // Pulp and Paper Mag. Of Can. 1968. - v. 170. - №. 9. - p. 65-77

21. Labrecqe R.P. The effects of fiber cross-sectional shape on the resistance to the flow of fluids through fiber mats // Tappi. 1968. — v. 51. - №. 1. - p. 8-15

22. Агеев M.A., Синчук A.B., Александрова Ю.А. Влияние длины углеводородной цепи ПАВ на облагораживание макулатуры // Тез.докл. XI Всероссийской студенческой научной конференции Екатеринбург, 2001.

23. Harvey D.M., Barnet A.I. Stock festos to predict paper machine // Pulp and Paper Mag. Of Can. 1966. - v. 67. -m №. 10.- p. 436-444

24. Mordon T., Bleines 1.0. A new method of paper formation // Pulp and Paper Mag. Of Can. — 1977.-v. 78. -№. 7.-p. 154-156

25. Сахарова A.M., Тищенко А.Ф., Рокос И.Д. и др. Анализ процесса обезвоживания высокофибриллированной блажной массы // Сб. тр. УкрНИИБ. М. - 1976. Вып. 19. - с. 58-62

26. Богомол Г.М. Формование многослойного картона. — М.: Лесная промышленность, 1982.-264 с.

27. Wrist P. The papermaking processes filtration problem // Pulp and Paper Magazine of Canada. 1954. - v. 55. - №. 6. - p. 115-119

28. Collicutt S.A. Drainage characteristics of grouwood pulp // Pulp and Paper Magazine of Canada. 1947. - №. 1. - p. 66-78

29. Тольский Г.А. Формование элементарного слоя на сеточном цилиндре // Бумажная промышленность. 1955. №5. - с. 7-9

30. Plain G.J., Morrison H.L. Critical Reynolds number and flow permeability // Amer. J. Phys. 1954. - v. 22. - №. 3. - p. 143-146

31. Берней И.И. Технология асбестоцементных изделий. — M.: Высшая школа. -1977.-230 с.

32. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в не деформируемой пористой среде. — М.: Стройиздат. — 1953. 612 с.

33. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. — М.: Гостехиздат. 1974. - 244 с.

34. Дерягин Б.В., Обухов Е. Аномальные свойства тонких слоев жидкостей // Коллоидный журнал. 1935. — с. 3

35. Дерягин Б.В. Свойства тонких жидких слоев и их роль в дисперсных системах // М. ВНИТО. - вып. I. - 1937. - с. 22

36. Дерягин Б.В. Упругие свойства тонких слоев воды // Журнал физической химии. 1932. - т. 3. - вып. I. - с. 29-42

37. Дерягин Б.В., Крылов Н.А. Аномальные явления при течении жидкостей через жесткие узкопористые фильтры // Труды совещания по вязким растворам. АН СССР. - 1944. - вып. 2. - с. 52-53

38. Рельтов В.Ф. Водопроницаемость связанных грунтов. — НИИГ. JI. — 1946. -36 с.

39. Аснер Л.Г., Савицкий Е.Е., Чебанова И.Г., Верней И.И. Пути улучшения процесса обезвоживания в прессовой части трубоформовочных машин // ВНИИЭСМ, Цементная и асбоцементная промышленность. 1971. — вып. 4. -с. 37-40

40. Верней И.И. Формование асбоцементных листов. М.: Госстройиздат. -1958.-279 с.

41. Almy С. Lewis factor determining the capacity of a filter press // Ing. End. Chem.- 1962/- v. 14. -№. 7.-p. 527

42. Верней И.И. Основы теории формования асбоцементных изделий. М.: Госстройиздат, 1969. — 335 с.

43. Steenberg В., Bergstrom I. Model experiments of sheet formation of cylinder wire // Pulp and Paper Magazine of Canada. 1954. - v. 55. - №. 13. -p. 109-118

44. Carman P.C. A study of the mechanism of filtration // Isoc. Chem. End. 1933. -v. 52.-№.36.-p. 280

45. Emerton R.W. The specific external surface of firbe — Some theoretical conciderations // Pulp and Paper Mag. Of Canada. — 1955. №. 2. P. 65-68

46. Ruth B. F. Correlationg filtration theory with industrial practice // Ind. End. Chem.- 1946. v. 38. - №. 6. - p. 564

47. Underwood A.I. Aritical review of published experiments on filtration // Inst. Chem. End. 1926. - Bo. 4. - p. 19

48. Кугушев И.Д. Теория процессов отлива и обезвоживания бумажной массы -М.: Лесная промышленность. — 1967. 262 с.

49. Савицкий Е.Е., Волчек И.З., Мороз П.С. О выборе оптимального диаметра сетчатого цилиндра. ЦНИИТЭстроймаш, Оборудование для промышленности строительных материалов. - 1972. - вып. I. - с. 42-44

50. Мороз П.С. Выбор оптимальных конструктивных и технологических параметров сеточной части листоформовочной машины // Труды НИИасбестцемента. М. - 1973. - вып. 29. — с. 3-17

51. Морозова Ю.Г. Исследование рабочего процесса круглосеточной бумагоделательной машины // Труды ЛПИ им. Калинина. 1957. - 191.-е. 56-63

52. Савицкий Е.Е., Гришин В.И. О производительности листоформовочных машин // ЦНИИТЭстроймаш: Оборудование для промышленных строительных материалов. 1971. - вып. 2

53. Соколов П.Н. Технология асбестоцементных изделий. М.: Госстройиздат. - 1968.-274

54. Китаев E.H. Основы интенсификации процесса производства асбоцементных изделий // Труды НИИасбестцемент. М. — Госстройиздат. - 1962. — вып. 15. -с. 82-138

55. Грачева О.И., Епинатьева В.И. Влияние химического состава жидкой фазы на фильтрационные свойства асбестоцементных изделий // Труды НИИасбестцемент. М. - Стройиздат, 1972. - вып. 28. - с. 100-109

56. Лукошкина Л.А., Комарова Н.И., Медведева Э.И. труды НИИасбестцемент. -М.- 1964. -вып. 19

57. Лукошкина Л.А., Комарова Н.И., Медведева Э.И. Использование в производстве асбоцементных изделий коротковолокнистого низкосортного асбеста // Труды НИИасбестцемент. М. — Стройиздат, 1969. - вып. 25 с. 3852

58. Хаппель Д., Бренер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. — М.: Мир.-1976.-630 с.

59. Бушмелев В.А. Интенсификация процессов обезвоживания и промывки целлюлозы применением новых фильтров жидкостного давления. — Дисс. докт. техн. наук. Л. - ЛТИ ЦБП. - 1979. - 526 с.

60. Ильинский А.М. Моделирование условий обезвоживания бумажной массы на сеточной части бумагоделательной машины. — Дисс. канд. техн. наук. — Л. ЛТИ ЦБП. - 1981. - 240 с.

61. Патент № 1002361 (Англия). Асбест (заявл. 11.12.62 г. Опубл. РЖХ, 25.08.65).

62. Патент № 3644138 (США). Способ изготовления асбестового картона с улучшенной фильтрующей способностью, (заявл. 27.10.69, опубл. РЖХ, 1972).

63. Бирюков В.И. Теоретические основы и пути совершенствования процесса формирования древесноволокнистых плит и других листовых волокнистых материалов целлюлозно-бумажного производства. Дисс. докт. техн. наук. -Л.-ЛТА.- 1968.-458 с.

64. Рейзинь Р.Э. Изучение структурно-механических свойств суспензий технической беленой целлюлозы. Вопросы гидролиза, химии древесины и лесохимии // Труды института лесохозяйственных проблем и химии древесины АН Латв. ССр.-Рига.-1959.-т. 17. с. 121-133

65. Шайдуров Г.Ф. О вязкости и упругости бумажной массы // Коллоидный журнал. 1955.-т. 17. Вып. 5.-е. 397-402

66. Форгес O.A., Робертсон A.A., Мезон С.Г. Гидродинамическое поведение волокон, применяемых для выработки бумаги // Основные представления о волокнах, применяемых в бумажном производстве. Материалы симпозиума. -М.:- 1962.-с. 458-492

67. Бирюков В.И. исследование условий моделирования технологических процессов в производстве бумаги и волокнистых плит на отливных машинах // Доклад V межвузовской конференции по физическому и математическому моделированию. М. - МЭИ. — 1968. - с. 107-114

68. Агеев А .Я., Синчук A.B., Агеев М.А. Процессы обезвоживания и формования бумажного листа. Екатеринбург, УрОРАН. - 2000. - 215 с.

69. Агеев М.А., Синчук A.B., Агеев А.Я. К уравнению Дарси-Кугушева при фильтрации волокнистых суспензий в условиях деформирования волокнистого слоя // Целлюлоза. Бумага. Картон. № 7-8, 2003.

70. Разработка физических методов заводского контроля степени распушки асбеста: Отчет о НИР (промежуточный) НИИасбестцемент, № 030.4.05.9.06. -М., 1970. Гл. 5

71. Schniewind А.Р., Jtin G., Brink D.L., Effekt of drying on the flexural rigidity of single fibre. In: Consolidation of Paper Web. BPBMA, London, 1966, vol. 1. P. 588-601

72. Голубев JI.M., Кугушев И.Д. Исследование вопроса об оптимальном времени отлива полотна на бумагоделательных машинах // Труды Ленинградского политехнического института — 1968. № 296

73. Агеев А.Я., Барановский В.П. Методы расчета вакуум-формующей части бумагоделательной машины // Машины и оборудование целлюлозно-бумажных производств: Межвуз. сб. научных трудов. — Л. 1974. — вып. 1. -с. 38-46

74. Агеев А.Я., Алашкевич Ю.Л., Барановский В.П., Кугушев И.Д. Влияние начальной концентрации на качество формуемого бумажного полотна //Материалы научно-технических конференций. JI. — 1973. - вып. 31. — с. 6670

75. Бирюков В.И. Исследование условий моделирования процесса листообразования // Сб. тр. СвердНИИПдрева. М. - 19669. - вып. 4. - с. 330

76. Агеев А.Я., Кузнецов А.Р. Исследование фильтросвойств асбестовых суспензий // Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. научных трудов. Л. -1984.-с. 82-87

77. Григоров О.Н., Карпов И.Ф., Козьмина З.П., Тихомирова К.П., Фридрихсберг Д.А., Чернобережский Ю.М. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. М. - Л.: Химия. — 1964. - 331 с.

78. Жужиков В.А. Фильтрование. М.: Химия, 1971. - 440 с.

79. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С., Рейнфарт В.В. Разделение суспензий в химической промышленности. М., Химия, 1983. 262 с.

80. Думанский A.B. Учение о коллоидах. М.: Химия. - 1987. 229 с.

81. Минский Е.М. Статистическое обоснование уравнений фильтрационного движения // ДАН СССР. 1958. - т. 118. - №2. - с. 255-262

82. Ребиндер П.А., Володовец И.Н. Физико-химическая механика пористых и волокнистых дисперсных структур и материалов. — Рига. 1967. — с. 3-29

83. Фляте Д.М. Свойства бумаги. М.: Лесная промышленность. - 1970. - 456 с.

84. Рейзиныи Р.Э. СтруктуроОобразование в суспензиях целлюлозных волокон. Рига: Зинанте. - 1987. - 208 с.

85. Форгес O.A., Робертсон A.A., Мэзон С.Г. Гидродинамическое поведение волокон, применяемых для выработки бумаги // Основные представления о волокнах применяемых в бумажном производстве. Материалы симпозиума. -М.-1962.-с. 458-492

86. Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Технология формования бумаги и картона. — М.: Лесная промышленность. 1984. - 120 с.

87. Винецкая Е.Я. Адсорбционный метод определения удельной внешней поверхности суспензий целлюлозы в процессе размола // Бумажная промышленность. 1958. - №4. - с. 6-9; №11. — с. 5-6г