Введение к работе
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 "стиков" (stickies). 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.
-
Разработана обобщенная реологическая модель бумажной массы, связывающая вязкость с градиентом скорости, концентрацией и степенью дисперсности.
-
Установлено, что обобщенная реологическая модель является теоретическим обоснованием гидродинамического принципа измерения концентрации массы.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 для 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.; V-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.; VII-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.; IV-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.
