К. т. н. Темрук В.И.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет»

УПРАВЛЕНИЕ ФРАКЦИОННЫМ СОСТАВОМ И

СТЕПЕНЬЮ ПОМОЛА БУМАЖНОЙ МАССЫ ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРОВ

РАЗМАЛЫВАЮЩИХ МЕЛЬНИЦ

 

Производство бумаги из товарной беленой целлюлозы, как правило, осуществляется на бумагоделательных машинах (БДМ) невысокой производственной мощности (5-30 тыс. т/год). Для таких БДМ создание отдельных потоков по размолу хвойной и лиственной целлюлозы экономически нецелесообразно и их размол осуществляется совместно. Характерной особенностью таких производств является то, что на конкретной БДМ изготавливаются различные виды бумаги, отличающиеся как композицией, так и параметрами размолотой бумажной массы (например бумага офсетная, тетрадная, обойная и т.д.). Для каждого вида бумаги размол бумажной массы необходимо проводить по отдельному технологическому режиму.

Основными факторами размола являются следующие параметры технологического процесса: продолжительность, удельное давление (зазор между ротором и статором размалывающих мельниц), концентрация массы, вид размалывающей гарнитуры, окружная скорость размалывающих органов (роторов), рН и температура массы, наличие гидрофильных добавок [1 ‑ 3]. С. Хитанен и К. Эбелинг [4] делят переменные факторы размола на три группы: контролируемые, активные и пассивные.

К активным переменным факторам при этом относятся только два: зазор между дисками (нагрузка мельниц) и частота вращения ротора. Отметим, что частота вращения ротора мельницы известный, но крайне редко применяемый фактор процесса размола.

На практике, в условиях существующего технологического потока размола бумажной массы все факторы, за исключением нагрузки мельницы, являются неоперативными, т.е. их нельзя изменить без снижения производительности или без дополнительных временных и материальных затрат.

Оперативный фактор размола «нагрузка мельницы» или «удельная нагрузка при размоле» имеет низкую избирательность при размоле смесей длинноволокнистой (хвойной) и коротковолокнистой (лиственной) целлюлозы. Известно, что для всех видов волокон повышение удельной нагрузки при размоле увеличивает рубку (укорачивание) волокон, а снижение повышает фибриллирование [5]. Но, наряду с этими процессами, при рубке обязательно идет и фибриллирование волокон и наоборот.

Для улучшения управляемости процессом размола смесей хвойной и лиственной целлюлозы предлагаем в качестве второго оперативного фактора применить частоту вращения ротора мельницы.

Известно [6], что удельная нагрузка при размоле рассчитывается по формуле (1).

                                                                 (1)

где Nn  ‑ полезная мощность, кВт;

Lр ­ секундная режущая длина, км/с.

Секундная режущая длина характеризуется общей длиной пересечения ножей ротора и статора за 1 секунду и рассчитывается по следующей формуле (2):

                                                               (2)

где Lpi – секундная режущая длина в пределах одного i-того участка гарнитуры, км/с;

zpi и zci – число ножей ротора и статора в пределах i-того участка;

li – длина образующей i-того участка, км;

m – число участков гарнитуры;

k0 – коэффициент, учитывающий снижение секундной режущей длины за счет отверстий для крепления гарнитуры;

n – частота вращения ротора мельницы, с-1.

Полезная мощность мельницы рассчитывается по формуле (3):

                                                                                       (3)

где Nобщ.  – общая мощность, Вт (определяется по ваттметру, установленному на пульте управления мельницы, при ее работе под рабочей нагрузкой);

Nх.х.  ‑ мощность холостого хода, Вт (определяется по ваттметру, установленному на пульте управления мельницы, при прохождении через нее массы и разведенных дисках).

Анализ формул 1-3 показывает, что изменение частоты вращения ротора мельниц, например с 1450 до 1000 мин-1, т.е. на 30%, повышает обобщенный и главный параметр размола – удельную нагрузку в таком же размере. Такой рост удельной нагрузки при сохранении зазора между дисками мельницы существенно изменит характер размола и избирательно скажется на снижении средней длины волокна. Соответственно, при увеличении частоты вращения ротора мельницы можно направленно повышать степень помола массы, при максимальном сохранении длины волокна.

На наш взгляд это особенно важно при совместном размоле длинноволокнистой (хвойной) и коротковолокнистой (лиственной) целлюлозы.

Ранее нами было показано [7], что хвойная длинноволокнистая и лиственная коротковолокнистая целлюлозы при раздельном размоле по разному реагируют на изменение частоты вращения ротора мельницы.

Так для хвойной целлюлозы снижение частоты вращения ротора вызывает, при пониженном расходе энергии на размол, рубку (укорочение волокон), повышенное – фибриллирование. Для лиственной целлюлозы характер размола в существенно меньшей степени зависит от частоты вращения ротора дисковой мельницы. Следовательно, низкая чувствительность лиственной целлюлозы к изменению частоты вращения ротора мельницы должна обеспечивать возможность управления степенью помола, средневзвешенной длиной и фракционным составом массы при совместном размоле хвойной и лиственной целлюлозы.

Ниже приведены результаты исследований по оценке влияния частоты вращения ротора лабораторной дисковой мельницы ЛКР-1 на основные бумагообразующие свойства бумажной массы при совместном размоле сульфатной беленой хвойной и лиственной целлюлозы и свойства бумаги, полученной из массы, размолотой при различной частоте вращения ротора мельницы.

Для исследования были взяты беленая сульфатная целлюлоза хвойная, производства фирмы BOTNIA (Финляндия) и лиственная – производства Котласского ЦБК.

     Исследовались три композиции по волокну, содержание хвойной целлюлозы составляло 40, 50 и 60%, лиственной соответственно, 60, 50 и 40%. Время размола массы 30 минут, межножевой зазор 0,2 мм, концентрация массы при размоле 4%, частота вращения ротора мельницы 1000 и 1500 мин-1, навеска целлюлозы 100 г.

Для размолотой целлюлозы определяли: степень помола - оШР, средневзвешенную длину волокна – дг; скорость обезвоживания - мл/с; расход электроэнергии на размол ‑ Вт·ч. . Рассчитывали условный удельный расход энергии на фибриллирование Уф и укорочение волокон Уу. Дополнительно на фракционаторе Messer Buehel Baner McNett определяли фракционный состав размолотой бумажной массы.

Из бумажной массы каждого варианта, отличающихся композицией и условиями размола, изготавливали отливки бумаги, массой 1 м2 100 г, которые были испытаны по следующим показателям: сопротивление разрыву - кН/м2; разрывная длина - км; удлинение при разрыве - %; поглощение энергии при разрыве – Дж/м2; сопротивление излому – ч.д.п.; жесткость при разрыве – кН/м.

Характеристики размолотой массы приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Характеристики бумажной массы размолотой при различной частоте вращения ротора мельницы

 

Содержание беленой сульфатной целлюлозы, %

Частота вращения ротора мельницы,

мин-1

Степень помола массы,

оШР

Средневзвешенная длина волокна, дг

Скорость обезвоживания, мл/с

Расход электроэнергии на размол, Вт·ч

Удельный расход энергии на фибриллирование,Уф, вт·ч·10-3

   оШР·г

Удельный расход электроэнергии на укорочение волокон,

Уу,

вт·ч·10-3

дг·г

Количество волокна по фракциям, %

(остаток на сите с размерами ячеек, мм)

хвойной

лиственной

F1

(1,19)

  F2

(0,59)

   F3

(0,29)

  F4

(0,14)

F5*

40

60

Без размола

19

65

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1000

65

29

3,9

9

1,96

2,5

8

37

33

18

4

1500

62

33

4,3

16

3,7

5,0

25

28

26

17

4

50

50

Без размола

18

73

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1000

50

39

3,4

9

2,8

2,6

10

38

30

15

7

1500

53

44

4,2

14

4,0

4,8

28

30

26

10

6

60

40

Без размола

17

81

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1000

56

29

3,5

8

2,1

1,5

7

39

31

16

7

1500

57

35

4,0

16

4,0

3,5

16

27

38

11

8

Примечание: * пятая фракция определялась по разнице


 

Таблица 2 – Показатели качества бумаги, изготовленной из бумажной массы с различной композицией,

размолотой при различной частоте вращения ротора мельницы

 

№ варианта

Содержание беленой сульфатной целлюлозы, %

Частота вращения ротора мельницы, мин-1

Сопротивление разрыву, кН/м2

Разрывная длина, км

Удлинение при разрыве, %

Поглощение энергии при разрыве, дж/м2

Сопротивление излому, (число двойных перегибов), ч.д.п.

Жесткость при разрыве, кН/м

   хвойная

лиственная

1

40

60

1000

70,2

5,97

2,00

64,05

79

517,6

2

1500

74,2

6,31

2,17

74,64

83

538,4

3

50

50

1000

93,4

7,94

2,36

102,96

102

675,6

4

1500

88,4

7,51

2,32

95,02

98

673,7

5

60

40

1000

71,1

6,04

1,84

62,71

85

566,9

6

1500

75,9

6,45

2,15

75,42

92

571,9

 

 

Как видно из таблицы 1 снижение частоты вращения ротора мельницы ведет к укорачиванию волокон для всех трех композиций и существенному изменению фракционного состава размолотой массы. Показатели бумажной массы (оШР, дг) размолотой при различной частоте вращения ротора мельницы существенно отличаются друг от друга для всех трех композиций, так как хвойная и лиственная целлюлозы по разному размалываются при различной частоте вращения ротора мельницы.

При содержании лиственной целлюлозы 60% размолотая бумажная масса имеет более высокую степень помола и меньшую длину волокна чем для других композиций, что определяется большим содержанием коротковолокнистой целлюлозы. Однако, на что необходимо обратить внимание, суммарное содержание фракций F2 и F3, определяющих просвет бумаги для этой композиции при размоле с частотой вращения ротора 1000 мин-1, практически такое же, как и для других композиций (70, 68 и 70% при содержании хвойной целлюлозы 40, 50 и 60% соответственно). При размоле с частотой вращения ротора мельницы 1500 мин-1 суммарное содержание фракций F2+F3 для каждой из композиций разное и составляет 54, 56 и 65%. Для композиций содержащих 50 и 60% хвойной целлюлозы размол с частотой вращения ротора мельницы 1000 мин-1 также обеспечивает повышенное содержание фракций F2+F3, при существенном снижении фракции F1 и незначительном росте содержания фракций F4+F5. Следовательно, применение технологии размола с пониженной частотой вращения ротора позволяет получить размолотую массу с лучшим фракционным составом для печатных видов бумаги.

Показатели качества бумаги, изготовленной из размолотой массы по всем шести вариантам, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что для всех вариантов по композиции и условиям размола бумага имеет высокие значения показателей прочности (сопротивление разрыву, разрывную длину, поглощение энергии при разрыве). Причем, для композиции с содержанием 50% хвойной целлюлозы эти показатели выше при размоле с пониженной частотой вращения ротора – 1000 мин-1 (вариант 3), а для других композиций – со средней частотой вращения ротора 1500 мин-1 (варианты 2 и 6 против 1 и 5 соответственно). Известно, что удлинение при разрыве и сопротивление излому больше других показателей зависят от длины волокон, тем не менее они тоже имеют максимальное значение для варианта 3, а не для варианта 4, для которого и средневзвешенная длина волокна, и содержание самой длинноволокнистой фракции F1 выше, чем для варианта 3.

Следовательно, размол при пониженной частоте вращения ротора мельницы обеспечивает не только хорошие условия для формования просвета бумаги, но и высокие прочностные свойства бумаги. Показатель жесткости при разрыве, который характеризует приращение усилия при разрыве к приращению удлинения, также имеет максимальное значение для вариантов 3 и 4. Не совсем закономерно, с первого взгляда, то, что максимальные значения прочностных показателей бумаги получены для композиции с содержанием хвойной целлюлозы 50% (варианты 3 и 4), а не 60% (варианты 5 и 6). Несоответствие можно объяснить тем, что выбранные условия размола, одинаковые для всех вариантов, больше соответствуют композиции по вариантам 3 и 4. Сравнение фракционных составов по таблице 1, также показывает, что содержание длинноволокнистой фракции F1+F2 для вариантов 3 и 4 равное 48 и 58% соответственно, существенно выше, чем для вариантов 5 и 6, равное 46 и 43%, т.е. масса по последним вариантам оказалась перемолотой.

Рассмотренные исследования позволяют сделать следующие выводы:

‑ частота вращения ротора размалывающего оборудования является эффективным оперативным фактором размола бумажной массы, используя который можно управлять характером размола и получать заданные значения степени помола, длины волокна и фракционного состава;

‑ для коротковолокнистой лиственной целлюлозы изменение частоты вращения ротора размалывающего оборудования незначительно сказывается на характере размола, что позволяет при совместном размоле хвойной и лиственной целлюлозы управлять фракционным составом массы воздействием на ее длинноволокнистую (хвойную) составляющую;

‑ первую стадию размола смеси хвойной и лиственной целлюлозы целесообразно производить на пониженной частоте вращения ротора дисковой мельницы, а последующие – на повышенной.

 

Литература:

 

1 Технология целлюлозно-бумажного производства. Т. 2. Производство бумаги и картона /Ч 1. Технология производства и обработки бумаги и картона.- СПб: Политехника. 2005.- 423 с.

     2 Фляте, Д.М. Свойства бумаги., СПб: НПО «Мир и семья-95», ООО «Интерлайн. 1999.- 381 с.

3 Иванов, С.Н. Технология бумаги: учеб. / С.Н. Иванов. – М.: Школа бумаги, 2006. – 696 с.

4 Hietanen, S. Fundamental aspects of beating process / S. Hietanen, K. Ebeling // Paper ja Puu, 1990. – 72.‑ N 2.‑ P.156-169.

5 Konrad, О. The effect of refining intensity on the water retention value / Olejnik Konrad, Czechowski Jacek // Ann. Warsaw Agr. Univ. Forest. and Wood Technol. - 2006. - № 59. - С. 132-136.

6 Пашинский, В.Ф. Машины для размола волокнистой массы /В.Ф. Пашинский.‑ М.: Лесная пром-ть, 1972.‑ 160 с.

7 Кашин, А.Н. Влияние скорости вращения ротора дисковой мельницы на затраты энергии при размоле /А.Н. Кашин, В.И. Темрук, Т.В. Соловьева //Труды БГТУ. Сер. IV. Химия, технология органических орган. в-в.‑ 2009.‑ Вып. ХVIII.‑ С. 298-302.