Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние производства санитарно-гигиенических видов бумаги 7
1.1 Тенденции развития рынка санитарно-гигиенических видов бумаги 7
1.2 Технология производства бумаги санитарно-гигиенического назначения 16
1.3 Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы 22
1.4 Основные теоретические и экспериментальные представления процесса перемешивания 28
1.5 Особенности перемешивания целлюлозы 35
1.6 Постановка задач исследования 43
Глава 2 Теоретические исследования гидродинамики движения потоков жид кости в перемешивающих аппаратах 44
2.1 Исследование гидродинамики процесса перемешивания в аппарате цилиндрической конструкции посредством компьютерного моделирования 44
2.2 Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы 61
Глава 3 Методическая часть проведения экспериментальных исследований 64
3.1 Методика исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов различной конструкции 64
3.2 Методика исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги 72
3.3 Планирование экспериментальных исследований и математическая обработка полученных результатов 74
Глава 4 Экспериментальные исследования и анализ результатов з
4.1 Экспериментальные исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов посредством ИВК 79
4.2 Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги 88
4.3 Определение критерия мощности при работе аппарата профилированной формы 93
4.4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований 95
Глава 5 Практическое применение результатов исследований 98
5.1 Определение диспергированного режима течения волокнистой массы в перемешивающем аппарате различной конструкции 98
5.2 Определение оптимальных технологических режимов работы перемешивающего аппарата с профилированными элементами корпуса 101
5.3 Методика инженерного расчета профилированного корпуса емкостного аппарата 103
5.4 Условно – экономический эффект работы аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа 107
Выводы по работе 110
Библиографический список
- Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы
- Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы
- Методика исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги
- Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги
Введение к работе
Актуальность работы. Производство санитарно-гигиенических изделий (СГИ) – одна из наиболее успешных отраслей мировой целлюлозно-бумажной промышленности, отличающаяся стабильной динамикой развития и высокими показателями производственной рентабельности. Более того, эта отрасль всегда была очень привлекательна для крупных международных инвесторов.
По данным на 2008 год, объем потребления санитарно-гигиенических изделий в России составил около 320 тыс. тонн, что составляет около 2,3 кг/чел., уровень потребления в странах Западной Европы не менее 12 кг/чел., а в США – более 24 кг/чел. в год. Общий выпуск санитарно-гигиенических изделий в мире в 2011 году составил около 32,7 миллионов тонн. По прогнозам отраслевых экспертов, этот показатель – по итогам 2013 года – составит порядка от 32,9 до 33,5 миллионов тонн.
Одновременно с ростом объемов производства санитарно-гигиенических изделий стремительно увеличивается конкуренция на международных и региональных рынках, что, в свою очередь, заставляет производителей СГИ все больше внимания уделять вопросам качества выпускаемой продукции, а также сокращению производственных и иных издержек (в настоящее время удельные затраты электроэнергии составляют до 0,8 кВт/м3).
Одним из путей решения поставленных вопросов является внесение изменений в технологический процесс производства СГИ, предусматривающий наряду с другими совершенствование операции перемешивания волокнистых суспензий при подготовке композиции бумажной массы.
В настоящий момент применяемые в целлюлозно-бумажной промышленности перемешивающие аппараты характеризуются несоответствием конструктивного исполнения аппарата и выполняемого процесса перемешивания, что приводит к появлению слабо перемешиваемых застойных зон в проточной полости аппарата и неустойчивости протекания самого процесса. По этой причине такие аппараты характеризуются относительно невысокой удельной производительностью процессов перемешивания и низким качеством получаемого целевого продукта. В них не удается достичь равномерного распределения подводимой энергии, что приводит к повышенным энергозатратам при эксплуатации и, следовательно, к повышению себестоимости продукции.
Возникновение данной проблемы, по сути, объясняется, в первую очередь, отсутствием аналитических зависимостей, позволяющих достаточно достоверно производить расчеты полей скоростей и давлений в проточной полости перемешивающих устройств. Поиск более эффективных решений в этой ситуации эмпирического характера привел к появлению неоправданно большого разнообразия малоэффективных перемешивающих аппаратов, отличающихся как конструктивно, так и по принципу работы. Поэтому актуальным направлением научно-технических исследований является разработка принципиально новых конструкций перемешивающих аппаратов и методов их инженерного расчета, позволяющих существенно снизить энергозатраты при получении СГИ.
Наличие данного обстоятельства порождает возможность использования корпусного аппарата с профилированными элементами корпуса в целлюлозно-бумажной
промышленности для конструктивного исполнения перемешивающих аппаратов и емкостей различного функционального назначения (мешальные бассейны, смесители, хлораторы и т.д.). Это обеспечит как сравнительно оптимальное перемешивание (характеризующееся минимизацией, как количества, так и объема застойных зон) бумажной массы, химических компонентов путем поддержания волокон и ингредиентов во взвешенном состоянии для обеспечения выравнивания концентрации массы и придания однородной композиции во всем объеме перемешивающего аппарата, так и возможность более интенсивного смешивания волокнистых компонентов между собой и с химикатами, что позволит снизить удельные затраты электроэнергии.
Цель работы. Разработка перемешивающего оборудования с профилированными элементами корпуса, обеспечивающего снижение энергопотребления при получении санитарно-гигиенических изделий.
Задачи исследования:
-
Выполнить теоретические исследования посредством численного моделирования движения потоков жидкости в проточной полости цилиндрических корпусных перемешивающих аппаратов с использованием роторов геликоидального типа.
-
Разработать методику построения профилей корпусных элементов аппаратов с роторами геликоидального типа, обеспечивающих минимизацию энергопотребления при проведении процессов перемешивания.
-
Выполнить экспериментальные исследования по определению гидродинамических характеристик аппарата профилированной формы.
-
Оценить степень снижения потребления электроэнергии при работе аппарата профилированной формы.
-
Определить оптимальные режимы работы аппарата профилированной формы в условиях подготовки композиции бумажной массы для получения санитарно-гигиенических изделий.
6 Выполнить оценку экономической эффективности использования аппаратов
профилированной формы с ротором геликоидального типа.
Объект исследования – перемешивающее оборудование предприятий ЦБП.
Предмет исследования – гидродинамика движения потоков жидкости в проточной полости перемешивающего оборудования.
Методы исследования. Использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, основанные на современных способах измерения гидродинамических характеристик движения потоков жидкости внутри перемешивающих аппаратов.
При обработке экспериментальных результатов применялись как аналитические, так и численные методы (методы физического и математического моделирования, математической статистики).
Обработка данных проводилась с использованием ЭВМ. В работе применялись: табличный процессор «Microsoft Excel», программа статистической обработки данных STATGRAPHICS Plus 5.1, программа компьютерного моделирования «Solid Works» с приложением Flow Simulation.
Основные положения, выносимые на защиту. В рамках специальности 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 17 – Оборудование, машины, аппараты и системы автоматизации химической технологии биомассы дерева) на защиту выносятся:
- теоретические исследования по получению эпюр скоростей с целью определе
ния характера движения жидкости в емкостном аппарате принципиально новой кон
струкции с ротором геликоидального типа;
эмпирические зависимости для расчета гидродинамики движения потоков жидкости, физико-механических и гидрофильных свойств санитарно- гигиенической бумаги;
установленные закономерности влияния технологических режимов работы аппарата профилированной формы на физико-механические и гидрофильные свойства санитарно-гигиенической бумаги;
теоретические основы проектирования построения конструкции принципиально нового емкостного аппарата;
- методика инженерного расчета нового корпуса аппарата для перемешивания
волокнистых суспензий.
Научная новизна работы:
разработаны теоретические основы построения профилированных корпусов емкостных аппаратов для повышения интенсивности и эффективности процесса перемешивания в ЦБП;
впервые проведено исследование гидродинамики в проточной полости аппарата профилированной формы посредством компьютерного моделирования;
установлено, что применение аппарата профилированной формы с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой приводит к росту осевой составляющей абсолютной скорости до 35 % по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции;
достигнуто снижение потребления электроэнергии до 40 % в аппарате профилированной формы с РГТ-270 и верхним направляющим аппаратом при подготовке композиции бумажной массы по сравнению перемешивающими аппаратами, применяемыми в ЦБП.
Практическая значимость работы
Разработана принципиально новая конструкция профилированного емкостного аппарата, позволяющая снизить удельные энергозатраты при сохранении требуемых свойств санитарно-гигиенической бумаги в процессе подготовки композиции бумажной массы.
Создана инженерная методика расчета основных параметров принципиально нового емкостного аппарата для получения композиции бумажной массы.
Определены оптимальные технологические параметры работы перемешивающих аппаратов профилированной формы, обеспечивающие экономное перемешивание волокнистой суспензии.
Даны рекомендации по применению аппарата с профилированными элементами корпуса и ротором геликоидального типа для производства санитарно-гигиенических изделий.
Новизна технического решения подтверждена получением положительного решения о выдаче патента на изобретение.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Наука и современность» (Новосибирск, 2011); всероссийских научно - практических конференциях: «Молодые ученые в решении актуаль-
ных проблем науки» (Красноярск, 2010, 2011), «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» (Красноярск, 2011, 2012 гг.).
Работа выполнялась по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации, финансируемому из средств федерального бюджета № 01201267254 (по теме «Теоретические основы процессов переработки растительного сырья в технологических машинах и аппаратах»).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (из них автора 1,68 п.л.), в том числе 3 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований. Объем работы составляет 156 страниц машинописного текста, включая 62 иллюстрации и 39 таблиц.
Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы
Для проведения гидродинамических расчетов при решении инженерных и технологических задач проектирования в настоящее время все чаще используются специально разработанные программы для персональных компьютеров. Такими программами являются: AcuSolve, ADINA, ANSYS Flotran, Comsol Multiphysics (FEMlab), Phoenix, Solid Works с приложением Flow Simulation, XFlow и др. Базой исследования потоков гидродинамики в таких программах служат уравнения неразрывности; уравнения сохранения импульса; уравнение сохранения энергии; уравнение состояния (для газов). Применение данных программ позволяет существенно снизить затраты на ресурсы (время, средства, финансы) при проведении экспериментов, при этом, получая достаточно надежные результаты. 1.5 Особенности перемешивания целлюлозы
Целлюлоза чрезвычайно псевдопластична. Псевдопластичная жидкость плохо перемешивается, так как ее вязкость меняется в зависимости от скорости перемещения. Это означает, что когда целлюлоза проходит через рабочее колесо мешалки, ее вязкость относительно низка. Когда целлюлоза выходит из колеса, и скорость, и турбулентность снижаются. Это увеличивает вязкость, которая, в свою очередь, еще больше уменьшает скорость жидкости.
В целлюлозе растяжение волокон столь значительно, что внутреннее трение велико уже при 2 – 3 %-ом содержании волокна в растворе. При увеличении концентрации вязкость значительно возрастает, и уже при 8 % концентрации редко удается использовать стандартную мешалку. Более высокое внутреннее трение также вызывает затруднение в передвижении целлюлозы в зонах наибольшего удаления от рабочего колеса мешалки.
Когда концентрация превышает 4 %, масса часто переходит в вязкопла-стичное состояние. Это означает, что к бумажной массе необходимо приложить определенное значение касательных напряжений, прежде чем она начнет двигаться. Поэтому в массном бассейне происходят выпадения осадка и появление застойных зон при слабой степени перемешивания.
При рассмотрении вопроса перемешивания целлюлозы важны точные исходные данные. Внутреннее трение между волокнами целлюлозы определяет вязкость. Это объясняет, почему вязкость варьируется в разных видах целлюлозы. Вязкость также зависит от этапов обработки целлюлозы, например, после сортировки, размола и отбелки. Поэтому целлюлоза должна рассматриваться не как единая жидкость с одним требованием к перемешиванию, а как набор жидкостей с различными потребностями.
Точные данные о типе целлюлозы, обработке и концентрации необходимы для того, чтобы гарантировать производительность процесса с наименьшими энергетическими затратами. Разница в затрачиваемой электроэнергии может достигать 800 %. [28]. Следует обратить внимание, что для перемешивания различных типов целлюлозы одной концентрации, требуется разное количество электроэнергии (рисунок 1.11). Например, разница в потребляемой мощности между лиственной и хвойной небеленой сульфатной целлюлозой при 4 %-й концентрации составляет 400 %. [28]. – лиственная; 2 – небеленая сульфитная; 3 – ТМР; 4-беленая сульфатная хвойная; 5-небеленая сульфатная хвойная.
Поэтому самыми важными факторами в снижении потребления электроэнергии являются точные данные о типе и концентрации целлюлозы. Но существует ряд других факторов, которые также определяют расход электроэнергии: форма конструкция резервуара, температура и «время оборота» массы в баке.
Для псевдопластичных жидкостей, подобных целлюлозе, уменьшение мощности, затрачиваемой на единицу объема, достигается при движении жидкости в резервуарах больших размеров. Поэтому экономически выгоднее перемешивать один большой бак, чем несколько маленьких. Для очень хорошего перемешивания в резервуаре, высота жидкости должна составлять 0,7 – 0,8 диаметра резервуара при постоянном объеме. Поэтому обычно используют резервуары с равными величинами высоты и диаметра и заполненные на 80 %.
Влияние температуры на вязкость массы. Чем выше температура, тем ниже вязкость, и тем легче перемешивать массу. Если масса содержится при температуре 90 С вместо 20 С, расход энергии снижается на 30 % (рисунок 1.12). Поэтому важно владеть точной информацией о температурах при выборе размера мешалки.
Движение целлюлозной массы в резервуаре различно в разных частях его объема. Существует пять различных понятий: активный объем, низкоактивный объем, не перемешиваемый объем, каналообразование и застойная масса (рисунок 1.14). Перед рабочим колесом мешалки и рядом с ним находится турбулентное, неорганизованное движение жидкости. Здесь происходит фактическое перемешивание массы.
Эта зона называется активным объемом. Точность концентрации составляет ± 0,1 %.
Вне зоны активного объема находится область ламинарного движения массы. Она называется низкоактивным объемом. Перемешивание здесь слишком слабо, чтобы смешать массу и воду до требуемой концентрации. Если низкоактивный объем находится рядом с дном резервуара, то высока вероятность выпадения осадка.
Каналообразование происходит, когда входной поток целлюлозы проходит по «каналу» напрямую к выходу из резервуара без смешивания с остальной массой. Это может привести к снижению качества и нарушению технологического процесса впоследствии.
На поверхности резервуара иногда происходит разделение целлюлозы и воды. Эта зона называется не перемешиваемым объемом. При этом увеличивается риск каналообразования и застоя массы на дне резервуара, так как активный объем очень мал.
Степень перемешивания. Для бумажной массы, степень перемешивания может быть разделена на 4 типа: очень хорошее перемешивание, хорошее перемешивание, с чистым дном и низкоактивное равномерное перемешивание.
При очень хорошем перемешивании активный объем составляет около 90% (рисунок 1.15). Используется для смесительных и машинных бассейнов, в башнях высокой концентрации (донная зона), отбельных башнях (донная зона), выдувных резервуарах (донная зона). Риск застоя массы не существует. 15-и минут «время оборота» достаточно для получения точности выходной концентрации ± 0,1 % [28]. Поэтому нецелесообразно использовать большее время оборота массы в баке.
Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы
Кривые на рисунке 2.5 наглядно показывают, каким образом происходит трансформация окружной составляющей абсолютной скорости в осевую скорость по высоте аппарата. При этом максимальное значение окружной скорости, как и следовало ожидать, достигается в районе действия перемешивающего органа. Кроме того, в верхней части аппарата (сечения 5 и 6) наблюдается возникновение засасывающей воронки, о чем свидетельствует увеличение окружной и снижение осевой скорости.
В результате математической обработки данных были получены аналитические зависимости абсолютной скорости движения жидкости и ее составляющих от частоты вращения перемешивающего органа и координат расположения рассматриваемой точки в рабочей полости аппарата.
Определение влияния основных факторов на выходной параметр и проверка значимости полученных коэффициентов осуществлялось в программе STATGRAPHICS Plus 5.1 с построением карты Парето. В качестве примера в приложении В приведены результаты дисперсионного анализа полученных аналитических выражений для абсолютной скорости vабс движения потоков жидкости в емкостной полости перемешивающего аппарата. Для остальных полученных аналитических выражений соответствующий анализ выполнялся аналогичным образом.
По построенным графикам осевых скоростей можно судить о том, что в рабочей полости аппарата при движении жидкости происходит смещение вектора скорости. Смещение вызвано тем, что поток жидкости встречает сопротивление вдоль траектории своего движения.
Максимумы кривых на графиках указывают на максимальную скорость потока, т.е. поток вдоль траектории своего движения встречается с наименьшим сопротивлением. Уменьшение сопротивления при движении жидкости позволяет максимально повысить степень перемешивания, интенсивность циркуляции и производительность аппарата, что, в свою очередь, приведет к уменьшению удельных энергозатрат в процессе эксплуатации аппарата.
При рассмотрении графиков с осевыми скоростями необходимо отметить, что максимумы кривых (максимальные значения) располагаются в определенной последовательности. Если соединить их линией, то получается кривая, которая представляет собой изолинию, вдоль которой поток жидкости обладает наибольшей осевой скоростью при движении в рабочей полости аппарата снизу вверх (рисунок 2.6). В первом приближении изолиния имеет вид кривой, описанной радиусом равным диаметру аппарата.
На основе данного предположения было выполнено построение модели корпуса принципиально нового перемешивающего аппарата следующим образом.
Боковая поверхность аппарата выполняется в первом приближении по дуге радиусом Rдуги = Dап. Выполнив профилирование боковой поверхности аппарата, производится геометрическое построение перехода от боковой поверхности аппарата к его донной и верхней частей. Данные три элемента должны быть сопрягаемы по поверхности, обеспечивающей безотрывное движение потока рабочей жидкости от перемешивающего органа до входа в направляющие планки и от направляющих планок снова в перемешивающий орган [68 – 71]. – 1 сечение; 2 – 2 сечение; 3 – 3 сечение; 4 – 4 сечение; 5 – 5 сечение; 6 – 6 сечение
В аппарате цилиндрической конструкции в его нижней части откладывается ni количество сечений, которые строятся от дна аппарата на равном удалении друг от друга. Далее рассчитываются значения векторов абсолютной скорости по выражению (2.2). Предполагая, что поток сходит с ротора параллельно днищу аппарата, первый вектор скорости откладывается горизонтально. Каждый последующий вектор строится от предыдущего с измене 55 нием направления угла атаки на величину максимального его значения равного 15 для волокнистых суспензий, что способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей.
По траекториям движения жидкости можно сделать следующие выводы: в рабочей полости профилированного корпуса в основном преобладают осевые скорости даже при малой частоте вращения ротора, а также происходит минимизация объема застойных зон динамического характера. Но при этом в верхней части проточной полости аппарата с увеличением частоты вращения перемешивающего органа наблюдается смещение траектории движения от оси ротора при течении потока жидкости сверху вниз. Такое смещение приводит к увеличению пути движения потока и снижению степени циркуляции, что в свою очередь отрицательно может сказаться на интенсификации самого процесса перемешивании. а) 100 об/мин; б) 200 об/мин; в) 300 об/мин; г) 400 об/мин; г) 500 об/мин Рисунок 2.10 - Траектории движения жидкости в рабочей полости профилированного аппарата
Для решения этого вопроса с целью компенсации этого влияния и корректировки движущегося потока был разработан и реализован в верхней части проточной полости аппарата профилированной формы устройство в виде направляющей вставки. Результаты его применения показаны в параграфе 4.1.
Ниже приведены графики окружных и осевых скоростей движения жидкости при частоте вращения перемешивающего органа 100 и 500 об/мин (рисунок 2.11) (остальные графики скоростей для аппарата профилированной формы приведены в приложении Г), графики зависимости скорости движения жидкости от рассматриваемого сечения аппарата профилированной формы (рисунок 2.12) и аналитические зависимости абсолютной скорости движения жидкости и ее составляющих от частоты вращения перемешивающего органа и координат расположения рассматриваемой точки в рабочей полости аппарата профилированного сечения.
Методика исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги
Как следует из графика, наибольшее значение средней абсолютной скорости имеет место при использовании аппарата профилированной формы с верхней направляющей вставкой с углом установки лопаток = 0, наименьшее – аппарата цилиндрической конструкции.
На основании проведенных исследований и полученных результатов можно сделать вывод о том, что разработанный аппарат профилированной формы обладает потенциальной возможностью интенсификации степени перемешивания рабочей жидкости за счет большого диапазона настройки аппарата на требуемые технологические режимы.
Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги
По итогам проведенных исследований были получены экспериментальные данные по физико-механическим и гидрофильным свойствам СГИ после перемешивания композиции бумажной массы в аппарате профилированной формы с ротором геликоидального типа (рисунок 4.7, 4.8).
Исследование свойств СГИ в аппарате профилированной формы проводилось без верхней направляющей вставки из-за невозможности осуществление забора проб волокнистой массы.
Разрушающее усилие. Используя матрицу планирования эксперимента в программе STATGRAPHICS Plus 5.1 произведен дисперсионный анализ полученных данных (приложение К) и построено аналитическое выражение (4.9).
Графическая зависимость величины разрушающего усилия бумажных отливок от технологических режимов работы аппарата профилированной формы Кроме того, установлено, что на свойства полученных бумажных отливок основное влияние оказывают технологические факторы: концентрация волокнистой суспензии, время перемешивания, частота вращения ротора. Так, достаточная механическая прочность бумаги (Р 1,4 Н) обеспечивается в результате перемешивания композиции с низкой концентрацией массы (c = 0,1 %), начиная с частоты вращения ротора n 400 об/мин. При этом, минимально необходимое время для перемешивания составляет около 20 мин.
Капиллярная впитываемость. Для капиллярной впитываемости также как и при разрывном усилии, используя матрицу планирования эксперимента, в программе STATGRAPHICS Plus 5.1 произведен дисперсионный анализ полученных данных (приложение Л) и построено аналитическое выражение (4.10).
Наиболее быстрое достижение требуемой впитываемости (В 20 мм) наблюдается у волокнистой массы концентрацией с = 0,1 % при времени перемешивании массы 10 мин и частоте вращения ротора n = 480 об/мин (рисунок 4.8, а).
Улучшение механической прочности и впитывающей способности бумаги объясняется тем, что начиная с 300 об/мин при перемешивании массы появляются турбулентные вихри, разрушающие флоккулы. При дальнейшем увеличении частоты вращения ротора возникает устойчивый диспергиро 92 ванный режим движения волокнистой суспензии. В этом случае имеет место выравнивание концентрации композиционной волокнистой массы, состоящей из сульфитной хвойной и сульфатной лиственной целлюлоз. В волокнистой массе исходные волокна более равномерно распределяются между собой (рисунок 4.9), а также, что имеет существенное значение, и по всему рабочему объему аппарата, обеспечивая затем требуемую однородность волокна хвойной беленой сульфитной целлюлозы; б) волокна лиственной беленой сульфатной целлюлозы; в) распределение волокон после перемешивания волокнистой массы в аппарате цилиндрической конструкции; г) распределение волокон после перемешивания волокнистой массы в аппарате профилированной формы.
Распределение концентрации волокнистой массы после перемешивания в аппаратах различной конструкции (увеличено х200 раз) Таким образом, обеспечивается полное проявление свойств волокнистых полуфабрикатов: хвойная сульфатная целлюлоза увеличивает мягкость и впитывающую способность получаемой бумаги за счет низкого содержания гемицеллюлоз. В свою очередь, сульфатная лиственная целлюлоза – приводит к увеличению механической прочности бумаги благодаря повышенной прочности стенок и наличию в лиственной целлюлозе пентозанов, а также придает бумажному полотну повышенную мягкость, пухлость и впитывающую способность [13, 16, 17].
Используя данную формулу, был определен критерий мощности KN в аппарате профилированной формы различного исполнения. Основные результаты расчета критерия мощности KN в аппаратах различной конструкции представлены в таблице 4.1.
Из представленных данных следует, что применение аппарата профилированной формы с установленным РГТ-270 и верхней направляющей встав 94 кой с углом установки направляющих планок 0 позволяет снизить удельные затраты электроэнергии при работе аппарата.
На основании проведенных исследований и полученных результатов следует, что повышение эффективности и интенсивности перемешивания жидкости в разработанном аппарате профилированной формы достигается за счет сведения к минимуму возможности появления застойных зон как статического, так и динамического типа и уменьшения гидравлических потерь вдоль траектории движения потока жидкости. Это, в свою очередь, ведет к максимальному увеличению степени циркуляции, обеспечивающей равномерное распределение концентрации жидкости различного композиционного состава по всему его объему проточной полости аппарата и снижению удель 95 ных затрат электроэнергии при сохранении требуемого качества получаемого продукта.
Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований С целью определения практической ценности использования методики по определению гидродинамических характеристик движения потоков жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы был выполнен их сравнительный анализ с данными полученными экспериментально с помощью ИВК (рисунок 4.10).
Из результатов анализа следует, что значения абсолютной скорости рабочей жидкости в проточной полости профилированного аппарата, полученные посредством использования программы Solid Works и измеренные с использованием измерительно-вычислительного комплекса, имеют расхождения в пределах 5-11 %.
При этом следует отметить, что наибольшее расхождение значений абсолютной скорости рабочей жидкости в проточной полости характерно для переходного и турбулентного режимов течения (частота вращения ротора геликоидального типа составляет порядка n 300 об/мин).
Данное соотношение величин абсолютной скорости в случае необходимости может быть уменьшено посредством использования для моделирования программы Solid Works с более высоким уровнем точности выполнения аналитических решений.
Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги
Перенастройку промышленного технологического оборудования на требуемую частоту вращения ротора геликоидального типа, как один из практических вариантов, можно осуществить путем замены шкивов ременной передачи.
Условно – экономический эффект работы аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа
В промышленном использовании аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа представляется возможным получение условно – экономического эффекта за счёт снижения удельного расхода электроэнергии при сохранении требуемого качества готового продукта.
В качестве примера, для оценки экономической эффективности произведено сравнение работы типового аппарата для перемешивания (массный бассейн) с турбинной мешалкой объемом 50 м3 [41] и его модернизированной конструкции в виде аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа. Она используется для перемешивания композиции бумажной массы, состоящей из 60 % хвойной беленой сульфитной целлюлозы и 40 % лиственной беленой сульфатной целлюлозы для производства санитарно-гигиенической бумаги-основы. Сравнение технических характеристик аппаратов приведено в таблице 5.4.
Показатель Значение Цилиндрический аппарат с турбинной мешалкой Аппарат профилированной формы с РГТ 1 Годовая производительность оборудования, тыс. т/г 27,45 27,45 2 Списочный состав рабочих, чел.: 12 12 - основные 7 7 - вспомогательные 4 4 3 Сумма капитальных затрат, тыс. руб. 2003,4 1151,8 4 Годовой фонд зарплаты, тыс. руб. 2756 2756 5 Себестоимость обработки единицы продукции, тыс. руб. 240,4 227,8 6 Затраты на ремонт оборудования, тыс. руб. 1033,7 1049 7. Амортизационные отчисления, тыс. руб. 200,3 1151,8 8 Удельный расход электроэнергии, руб./т 25,08 15,3 9 Среднемесячная зарплата одного рабочего, тыс. руб. 19,1 19,1 10 Условно-годовая экономия, тыс. руб. - 345,9 11 Срок окупаемости капитальных затрат, лет - 3,3 Модернизированный вариант аппарата для перемешивания обеспечивает снижение себестоимости производимой бумаги-основы, что дает условно-годовую экономию в размере Выводы по пятой главе:
1 Установлено, что применение аппарата профилированной формы совместно с РГТ-270 и верхним направляющим аппаратом позволяет снизить потребления энергии на 40 %.
2 В данной главе диссертационной работы определены следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения процесса перемешивания: для разрывного усилия оптимальный технологический режим составил: с = 0,1 %; = 19,6 мин; n = 407,4 об/мин; для капиллярной впитываемости: с = 0,1 %; = 18,2 мин; n = 393,2 об/мин.
3 В результате проведенного условно – экономического расчета процесса перемешивания в аппарате с профилированными элементами корпуса и с ротором геликоидального типа были получены следующие результаты: - прибыль от экономии электроэнергии составляет 345,9 тыс. руб. в год; - срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,3 года.
4 Предложена методика инженерного построения аппарата профилированной формы для проектирования перемешивающих аппаратов любых объемов и размеров.
Выводы по работе
1 На основании компьютерного моделирования выполнены исследования гидродинамики движения потоков жидкости в аппарате цилиндрической конструкции с ротором геликоидального типа. В результате чего, в рабочей полости аппарата обнаружены застойные зоны динамического характера, оказывающие отрицательное влияние на качество перемешивания и увеличивающие энергопотребление при работе аппарата.
2 Разработаны теоретические положения о принципах профилирования корпусных элементов и методика построения профилей корпусных элементов емкостных аппаратов.
3 На основании экспериментальных исследований гидродинамических характеристик перемешивающих аппаратов различной конструкции установлено, что применение аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа и верхней направляющей вставкой (угол установки лопаток = 0) приводит к увеличению осевой составляющей абсолютной скорости потока на 35 % по сравнению с аппаратом цилиндрической конструкции.
4 Установлено, что применение аппарата профилированной формы совместно с РГТ-270 и верхней направляющей вставкой позволяет снизить потребления энергии на 40 % по сравнению с цилиндрическим аппаратом с турбинной мешалкой.
5 Определены оптимальные технологические режимы работы аппарата с профилированными элементами корпуса при подготовке композиции бумажной массы. Для разрывного усилия оптимальный технологический режим составил: с = 0,1 %; = 19,6 мин; n = 407,4 об/мин; для капиллярной впитываемости: с = 0,1 %; = 18,2 мин; n = 393,2 об/мин.
6 Разработана методика инженерного построения аппарата с профилированными элементами корпуса различного функционального назначения с ротором геликоидального типа.
7 Выполнена оценка экономической эффективности применения перемешивающего аппарата профилированной формы для подготовки композиции бумажной массы при производстве санитарно-гигиенической бумаги-основы. Предлагаемый вариант перемешивающего оборудования позволяет снизить себестоимость производимой бумаги-основы и обеспечивает условно-годовую экономию в размере 345,9 тыс. руб. Срок окупаемости модернизированного оборудования составляет 3,3 года.
