Научное обоснование совершенствования технологии облагораживания макулатуры при производстве бумажных материалов 05. 21. 03 технолог - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1страница 2
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Академия наук республики башкортостан отделение химико-технологических... 3 1512.78kb.
Семинара-совещания и выставки «Оборудование и технологии для сбора... 1 94.48kb.
Урок английского языка «Past Simple» 1 52.01kb.
Разработка технологии и исследование свойств бикомпонентных армированных... 1 234.33kb.
Взаимосвязи организмов на примере экологической системы муравейника 1 267.37kb.
Разработка энергосберегающей технологии производства суровой льняной... 1 242.66kb.
Выпускники кафедры метрологии и технологии контроля Очная форма обучения... 1 29.23kb.
Лекция 13. Сварка металлов. Ее роль в современном производстве 1 102.04kb.
Доклад на заседании совета при губернаторе Оренбургской области с... 1 64.19kb.
Определение сетевой технологии. Сетевая технология Ethernet. 1 71.83kb.
История гимназии в судьбе моей страны 1 167kb.
Программа 11-й арт-хаус-фестиваля «Кино без границ» 1 152.13kb.
- 4 1234.94kb.
Научное обоснование совершенствования технологии облагораживания макулатуры при производстве - страница №1/2

На правах рукописи

Агеев Максим Аркадьевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ МАКУЛАТУРЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ


05.21.03 – технология и оборудование химической переработки

биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет» на кафедре химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных производств

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор, Пен Роберт Зусьевич

Сибирский государственный

технологический университет
Доктор технических наук, профессор, Кокушин Николай Николаевич

Санкт-Петербургский государственный

технологический университет

растительных полимеров


Доктор технических наук, профессор, Бурындин Виктор Гаврилович

Уральский государственный

лесотехнический университет

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится «17» мая 2012 г. в ____ на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 в ФГБОУ ВПО Уральский государственный лесотехнический университет по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного лесотехнического университета


Автореферат разослан «____»_________________2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Куцубина Н.В.

Актуальность работы

Анализ научно-технической литературы, данные иностранных фирм, рекламные материалы за последние 10 лет показывают, что бумага и бумагоподобные материалы характеризуются все возрастающим содержанием макулатурного волокна. Производство бумаги и картона из вторичных волокон растет, примерно в два раза быстрее, чем производство бумаги из свежих полуфабрикатов.

Рост использования макулатуры при производстве бумаги объясняется меньшей энергоемкостью и трудоемкостью, более низкими затратами на охрану окружающей среды, значительно более низкими капитальными затратами на строительство новых предприятий.

В то же время на пути широкого использования макулатуры существует ряд проблем. Наиболее важными являются более низкие бумагообразующие свойства макулатурных волокон, причем снижающиеся по мере числа циклов ее переработки. Многочисленные научные исследования и практика использования макулатуры показывают, что после трех-четырех циклов ее переработки вторичные волокна становятся непригодными для производства бумаги. Исследователи связывают этот факт с «необратимым ороговением» волокон, этим термином, впервые введенным Обермансом, характеризуют снижение водоудерживающей способности целлюлозных волокон при их повторном увлажнении после сушки.

Другой важной проблемой, тормозящей широкое использование макулатуры при производстве высококачественных видов бумаги, является недостаточное развитие в России одной из самых перспективных технологий ее переработки, широко распространенной на Западе – облагораживания (deinking) – и его основного процесса – флотации. Отсутствует оборудование и технологии облагораживания. Научно-технические публикации носят единичный и разрозненный характер. Отсутствуют теоретические исследования, позволяющие научно-обоснованно проводить расчеты флотации типографской краски и рационально проектировать оборудование.

Таким образом, задачи улучшения бумагообразующих свойств вторичных волокон и сохранения их в процессах циклической переработки, разработка технологии флотационного облагораживания макулатуры с учетом гидродинамических особенностей макулатурных суспензий и особенностей флотации безынерционных частиц типографской краски, для использования их при производстве газетной и других печатных и упаковочных видов бумаги, являются актуальными и важными.



Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по Федеральной целевой научно-технической программе «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексное использование древесного сырья», направление 02 – новые экологически чистые технологии, при выполнении проекта №980/6 по инновационной подпрограмме «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья, в ходе выполнения гранта для молодых ученых в области гуманитарных, естественных и технических наук (приказ Госкомвуза РФ №856 от 08.05.97 г., и во время полугодовой командировки в институт бумаги при техническом университете в г. Дармштадт (Германия) под руководством проф. Л. Гетчинга, в ходе выполнения НИР по заказу Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области «Разработка технологии эффективной переработки макулатуры в бумагу и другую товарную продукцию», в ходе выполнения НИР по хозяйственному договору №107/2007 «Совершенствование технологий производства бумаги, картона, целлюлозы и разработка новых видов продукции с целью повышения рентабельности ООО «Новолялинский целлюлозно-бумажный завод».

Цель работы: научно обосновать совершенствование технологии облагораживания макулатуры с апробацией результатов работы в производстве.

Задачи исследования:

  • Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить возможность улучшения бумагообразующих свойств вторичных волокон.

  • Теоретически и экспериментально обосновать гидродинамический режим в ячейке флотатора.

  • Выявить закономерности акта взаимодействия малая частица – пузырек, оценить наиболее существенные факторы, влияющие на процесс флотации.

  • Предложить механизм отделения типографской краски от макулатурного волокна.

  • Практически подтвердить результаты исследования опытно-промышленными выработками с использованием методов расчета. Предложить технологическую схему облагораживания обеспечивающую рециклинг.

Научная новизна.

  • Расширены представления о причинах «необратимого ороговения», как следствия действия усадочных напряжений и аморфно-кристаллической структуры целлюлозных волокон, и установлены возможности улучшения бумагообразующих свойств путем дополнительной технологической обработки.

  • Используя представления о целлюлозе как природном полимере, впервые для объяснения улучшения бумагообразующих свойств макулатуры при ее дополнительной обработке горячим низкоконцентрированным водным раствором щелочи использован параметр растворимости.

  • Впервые при исследовании элементарного акта взаимодействия системы пузырек – частица типографской краски количественно определена структурно-сольватационная составляющая сил их взаимодействия.

  • Показана полезность использования реологической модели при объяснении поведения бумажного полотна в процессах высыхания-увлажнения.

  • Впервые рассмотрено движение пузырька воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии низкой концентрации, и получены решения распределения скоростей и давлений.

  • Разработана модель флотации типографской краски, включающая набор дифференциальных уравнений, хорошо согласующаяся с экспериментальными результатами. Численным методом подтверждена ее адекватность.

  • Предложен механизм отделения типографской краски от волокон, основанный на реакции омыления жирных кислот, входящих в состав связующего краски.

Практическая значимость.

  • Предложена усовершенствованная технологическая схема процесса облагораживания макулатуры, обеспечивающая реализацию принципа рециклинг.

  • Предложен и запатентован метод расчета элементарного акта взаимодействия пузырек – частица типографской краски на основе теории ДЛФО.

  • Предложен метод расчета гидродинамического режима ячейки флотатора.

  • Предложен метод и прибор для автоматического измерения размеров пузырьков воздуха.

  • Показаны экологические и экономические преимущества использования облагороженной макулатуры.

  • Основные научные положения и практические решения нашли конкретное воплощение в учебном процессе при организации учебно-исследовательской и научной работы студентов, курсовом и дипломном проектировании, курсах лекций и издании монографий, учебных и методических пособий для студентов соответствующих направлений и специальностей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ежегодных научно-практических конференциях: «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА 1997-1999 гг.); Восьмой международной конференции молодых ученых «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений» (г. Казань, 1996 г.); Первой региональной конференции «Роль инноваций в экономике Уральского региона» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международных научно-технических конференциях «Техноген» (г. Екатеринбург, 1997, 1998 гг.); Научно-техническом семинаре «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 1998 г.); Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых химических производств» (г. Москва, кафедра ЮНЕСКО Московской государственной академии химического машиностроения, 1997 г.); Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука – третье тысячелетие (г. Москва, 1996 г.), V-ой Молодежной научной школе – конференции по органической химии (г. Екатеринбург, 2002 г.); II-ой Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи лесному комплексу России» УГЛТУ (г. Екатеринбург, 2007 – 2011 гг.). Международной научно-практической конференции «Современные системы контроля и управления качеством бумаги и картона» (г. С-Петербург, 2007 г.). I-ой Всероссийской научно-технической конференции «Научные основы инновационных технологий бумаги и картона» (п. Полотняный завод, 2008 г.). IV-ой Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья АГУ (г. Барнаул, 2009 г.). Международной конференции ChemWasteChem «Химия и полная переработка биомассы леса» (г. С-Петербург, 2010 г.). Международной конференции «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine» (г. С-Петербург, 2011 г.)

Достоверность результатов предопределяется корректностью физических, физико-химических, химических методов исследования и анализа, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности, коллоидной химии, механике дисперсных систем, а также международных стандартных методах исследований флотационного облагораживания макулатуры, разработанных союзом производителей бумаги (PTS), и статистической обработкой результатов экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

  • Теоретическое и практическое обоснование регулирования бумагообразующих свойств волокон макулатуры.

  • Методы расчета элементарного акта флотации малых частиц типографской краски и гидродинамического режима ячейки флотатора.

  • Аналитическая модель флотации типографской краски, в виде дифференциальных уравнений.

  • Механизм отделения типографской краски от волокна.

  • Технология процесса облагораживания макулатуры.

  • Экономическая и экологическая оценка использования облагороженной макулатуры.

Структура и объем работы. Основное содержание диссертации изложено на 343 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц, 103 рисунка. Список цитируемой литературы включает 353 источника. В приложении представлены экономические расчеты, акты опытно-промышленных выработок, акты о внедрении НИР в учебный процесс, титульные листы учебных пособий, монографий, изданных по материалам диссертации.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы.



В первой главе представлена ретроспектива использования макулатуры в бывшем СССР, России и за рубежом. Рассмотрено современное состояние использования макулатуры, приведены данные Росстата о ресурсах макулатуры в России по регионам, представлены глобальный мировой баланс переработки вторичного волокна, оценка Research.Techart о структуре ассортимента продукции, производимой из макулатуры в России и в мире (рисунок 1), представлены перспективы использования вторичного волокна.

А Б
Рисунок 1 – Структура ассортимента продукции, выпускаемой из макулатуры в России (А) и в мире (Б)


Проведен анализ состояния оборудования и технологий по переработке макулатуры. Рассмотрены проблемы переработки макулатуры в зависимости от видов загрязнений. Поставлены задачи, которые необходимо решить в работе.

Регулирование бумагообразующих свойств

Низкий для России ассортимент продукции выпускаемой с использованием вторичных волокон (рисунок 1) объясняется рядом проблем. Наиболее важная – это низкие бумагообразующие свойства макулатурных волокон (рисунок 2), причем они снижаются по мере числа циклов ее переработки (рисунок 3). Это приводит к значительному снижению качества бумаги и картона, вырабатываемых с использованием вторичных волокон, ограничивает ассортимент продукции.





▬▬ Первичное; ▬ ▬ Вторичное
Рисунок 2 – Физико-механические показателей отливок из первичных и вторичных волокон




▬▬ Обработанное ▬ ▬ Не обработанное
Рисунок 3 – Зависимость свойств бумаги от числа циклов переработки

Анализ рисунка 2 показывает, что максимальная разрывная длина отливок и сопротивление раздиранию из макулатурной массы существенно ниже показателей отливок из первичных волокон.

В основе низких прочностных свойств бумаги из макулатуры лежит ухудшение бумагообразующих свойств вторичных волокон отмечаемых большинством исследователей. Снижение бумагообразующих свойств связывают с явлением «необратимого ороговения» волокон, понятием, характеризующим снижением способности к набуханию и удержанию воды высушенными волокнами. Это хорошо иллюстрируется результатами наших экспериментальных исследований представленных на рисунке 3. Видно, что наибольшее снижение бумагообразующих свойств наблюдается после первого цикла обработки, а после последнего цикла – наименьшее. Наложение кривых разрывной длины и степени набухания при одинаковых циклах переработки показывает их симбатное изменение.

Анализ рисунка 3 позволил установить зависимость между разрывной длиной и степенью набухания для всех циклов переработки макулатуры как гидротермообработанной, так и подверженной обычной переработке (рисунок 4).

Рисунок 4 – Влияние степени набухания волокна на разрывную длину



На основе графика (рисунок 4) можно утверждать, что степень набухания оказывает существенное влияние на бумагообразующие свой-ства бумаги и что между набуханием волокна и разрывной длиной сущест-вует пропорциональная зависимость.

Ухудшение бумагообразующих свойств и, в частности, разрывной длины связано с «необратимым ороговением». Из многочисленных объяснений причин этого явления наиболее обоснованным по нашему



мнению, является точка зрения Гиртца, который утверждает, что вследствие беспорядочности строения молекул гемицеллюлозный материал влажного волокна, полностью пропитывается водой. Большая часть связанной воды, имеющейся во влажном волокне, удерживается гемицеллюлозами, которые расположены между микрофибриллами внутри стенки волокна и внутри волокна. При высыхании, т.е. при удалении воды, вследствие своей подвижности гемицеллюлозные молекулы притягиваются друг к другу, и происходит усадка волокна. При испарении последних молекул воды, находящихся между двумя молекулами гемицеллюлоз, эти молекулы связываются водородными связями.

Еще одной причиной «необратимого ороговения» является то, что при получении первичных волокон древесный материал подвергается воздействию многих факторов: химическими реагентами, высокой температуре, давлению, что приводит к глубокому проникновению реагентов не только в межволоконное пространство, но и во внутриволоконное, приводящее к растворению неволокнистых компонентов, разрушению межволоконных и внутриволоконных связей.

Считается, что набухшее волокно находится в высокоэластическом состоянии. В результате размола и других механических воздействий значительное количество макро- и микрофибрилл выступают из волокна в воду, покрывая волокно как бы микроскопическим ворсом. При обезвоживании бумажного листа эти микроворсинки, за счет переплетения с ворсинками соседнего волокна, образуют плотную структуру с размерами капилляров 10-7 – 10-8 м, при повторном смачивании проникновение молекул воды в которые затруднено. Особенно плотная структура образуется на поверхности бумажного листа, чему способствует контакт с поверхностью сушильных цилиндров. Температура поверхности сушильных цилиндров значительно выше средней температуры сушки бумаги, что приводит к частичной деструкции свободных гидроксильных групп (рисунок 5) и, следовательно, к гидрофобизации поверхности бумажного листа. Эти явления приводят к снижению смачиваемости, скорости и степени набухания бумажного листа при его повторном роспуске в воде.

Рисунок – 5 Гидрофобизация поверхности бумаги при сушке


Для доказательства того, что причиной ороговения является образование во время сушки бумаги водородных связей между молекулами низкомолекулярных фракций целлюлозы, снижающие проникновение молекулы воды, нами предложена обработка высушенной бумаги (макулатуры) 1,5 %-ным раствором NaOH. Обработку проводили при температуре 95 0С в течение 30 мин. Результаты представлены на рисунке 3. Сравнение кривых (рисунок 3) показывает улучшение бумагообразующие свойства обработанной макулатуры. Так, например, разрывная длина отливок после четырех циклов переработки обработанной макулатуры составляет 4150 м, что даже несколько выше значения разрывной длины отливок, полученных из необработанной макулатуры после первого цикла переработки (4000 м). Таким образом, можно сделать вывод, что предварительная щелочная обработка позволяет улучшить бумагообразующие свойства вторичных волокон и увеличить цикличность их использования. Это подтверждается также лучшим набуханием обработанных волокон (рисунок 3).

Для теоретического обоснования этого технологического решения нами использовано представления о целлюлозе как о природном полимере и применено понятие параметра растворимости. Считается, что полимер, может быть растворим в том растворителе, значения параметров растворимости которых достаточно близки или совпадают. Параметр растворимости связан с плотностью энергии когезии и определяется по теплоте испарения.

Поскольку целлюлозу и ее низкомолекулярные фракции (гемицеллюлозы) нельзя «испарить» без разложения, значение параметра растворимости для этих компонентов определяли расчетным путем по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов.

Используя данные А.А. Аскадского по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов гемицеллюлоз (в качестве гемицеллюлоз взято одно соединение полисахаридов (пентозаны (С5H8O4)n), получили следующие результаты:



,

, .

Параметр растворимости воды – таким образом, разность параметров растворимости воды и гемицеллюлозных водородных связей составляет , это характеризует плохую растворимость, что и подтверждается экспериментально. Поэтому в работе предлагается гидротермическая обработка раствором щелочи концентрацией, при которой, параметр растворимости наиболее близок к параметру растворимости гемицеллюлоз. Для раствора NaOH в воде с концентрацией 1,5 % параметр растворимости равен .

При повторном смачивании высушенные волокна впитывают воду меньше, чем первичные волокна. Таким образом, процесс сушки частично необратим. В этом случае повторное образование прочного бумажного листа возможно только за счет создания новых поверхностей волокон, фибрилл и т.п., что реализуется только при усиленном размоле.

Если первичные волокна обладали хорошо развитой удельной поверхностью (высокая степень помола), образование новых, свежих поверхностей происходит со значительными трудностями и только за счет дальнейшего измельчения волокон, при этом количество мелкого волокна с увеличением числа циклов переработки возрастает, а водоудерживающая способность, которая, по Кларку, может служить мерой способности волокон образовывать прочный бумажный лист, снижается. Таким образом, можно ожидать, что увеличение мелочи будет снижать бумагообразующие свойства волокон. Литературные же данные о влиянии мелкого волокна, находящегося в бумажной массе, немногочисленны и носят противоречивый характер.

В работе рассмотрено влияние мелочи, т.е. волокна, отделенного на фракционаторе с размером сетки №24, на бумагообразующие свойства бумаги из первичных и вторичных волокон. Для исследований использовали мелочь из размолотой небеленой крафт-целлюлозы Новолялинского ЦБК, а также мелочь из распущенной и размолотой мешочной макулатуры. Результаты испытаний отливок из крафт-целлюлозы, макулатуры, обработанной и необработанной в зависимости от количества заданной мелочи представлены на рисунке 6.

А Б


♦ 1-й цикл, первичная мелочь; ■ 2-й цикл, первичная мелочь; ▲ 2-й цикл, мелочь после первого цикла; ○ 2-й цикл, мелочь после первого цикла обработанная
Рисунок 6 – Влияние мелкого волокна на разрывную длину (▬▬); и степень помола (▬ ▬) бумаги из макулатуры (А) и зависимость набухания макулатурной массы от степени помола при содержании различной мелочи (Б)
Видно (рисунок 6А), что добавление в макулатурную массу мелочи, предыдущего цикла переработки, повышает степень помола, которая косвенно характеризует водоудерживающую способность (набухание) волокон и разрывную длину бумажного листа из макулатуры. Повышение степени помола и разрывной длины оказывается пропорциональным увеличению доли мелочи в макулатурной суспензии. Из рисунка 6Б видно, что мелочь полученная из размолотой целлюлозы, имеет более высокую набухаемость, по сравнению с мелочью из макулатурной массы. Мелочь, извлеченная из обработанной макулатуры, имеет промежуточную степень набухания, это говорит о том, что часть гемицеллюлоз, находящихся в порах волокон макулатуры, в растворе NaOH набухла и вместе с фибриллами отщепилась от волокон. Это еще раз подтверждает эффективность термообработки макулатуры в слабой щелочной среде.

Анализ результатов выше приведенных исследований (рисунки 3, 4, 6) показывает, что улучшение бумагообразующих свойств вторичных волокон может происходить не только за счет образования свежих поверхностей при роспуске макулатуры и ее последующем усиленном размоле, но и за счет разрушения образованных при получении бумаги связей образованных низкомолекулярными фракциями целлюлозы горячим низко концентрированным водном раствором щелочи.

Причиной «необратимого ороговения» может так же быть режим сушки бумажного полотна, предшествующий увлажнению, разволокнению и размолу макулатуры. Публикации, повещенные влиянию режима сушки на структуру формующегося листа бумаги, не многочисленны и носят противоречивый характер.

Наибольшую известность получили взгляды А.С. Аведикова, М.С. Острикова, Г.Д. Диброва которые рассматривая высыхающие гидрофильные системы, к которым без должных оснований отнесли и бумажное полотно, считают, что возникающие в процессе высыхания усадочные напряжения , являются суммарной величиной ряда напряжений, отнесенных к соответствующей площади поперечного сечения абсолютно сухого вещества твердой фазы, образующей структуру



, (1)

где - сжимающее напряжение, обусловленное только поверхностным натяжением жидкости на периметре поперечного сечения испытуемого образца;



- напряжение капиллярных сил;

- напряжение упругого сопротивления структуры;

- напряжение когезионного и адгезионного взаимодействия в точках вторичных контактов, возникающих в процессе высыхания.

Величина усадочных напряжений влияет на плотность, прочность, сомкнутость структуры бумажного полотна и играет важную роль в процессе повторного роспуск макулатуры и ее бумагообразующих свойств.

Однако нами установлено, что возникновение усадочных напряжений и их развитие в бумаге и картоне, которые необходимо учитывать, имеют существенные особенности.

В связи с этим рассмотрим влияние процесса сушки бумаги на структурные изменения в бумажном полотне и напряжения, возникающие в бумаге в процессе сушки, на образовании структуры, прочностных показателей бумаги и картона, и на основании этого объясним причины возникновения явления «необратимого ороговения».

В начале процесса сушки никаких существенных напряжений в бумажном полотне не возникает, кроме касательных напряжений, вызванных силами трения между волокон. Волокна как бы «плывут», сближаясь друг с другом по мере испарения воды. Скольжение волокон друг относительно друга определяется коэффициентом трения между гидратными слоями и определяется коэффициентом гидравлического трения , здесь , где U – скорость удаления воды; d – расстояние между волокнами; ρ и µ - плотность и вязкость воды. При сухости бумажного полотна до 65-70 % сил поверхностного натяжения, вызывающих усадочные напряжения в волокнах не возникает т.к. в соответствие с расчетами отсутствует трехфазный периметр смачивания. При указанной сухости поры бумажного полотна заполнены водой, и бумажный лист представляет собой двухфазную систему. Силы поверхностного натяжения воды действуют только в поверхностном слое волокон. Макро- и микрофибриллы, выступающие над поверхностью наружных волокон в виде микроскопического ворса, прижимаются к волокнам, уплотняя внешнюю поверхность бумажного полотна. Такая точка зрения подтверждается нашими экспериментальными исследованиями сушки бумажного листа (рисунок 7) и исследованиями В. Брехта (рисунок 8), которые показывают, что никаких структурных изменений в бумажном листе в виде деформации волокон и возникновении в них усадочных напряжений не наблюдается до сухости 65-70 %. Силы капиллярного всасывания в этот период сушки так же ограничены в виду большего размера пор бумажного листа.

При испарении жидкости фронт испарения продвигается вглубь бумажного полотна, в порах его структуры на границе раздела жидкость – воздух образуются микромениски, на которых, в соответствии с уравнением Лапласа , возникает гидростатическое (капиллярное) давление, которое вызывает составляющую усадочных напряжений - напряжения капиллярных сил.

Величина сжимающего напряжения на единице площади, обусловленного силами поверхностного натяжения жидкости, определяется величиной периметра смачивания L, который в виду сложного пористого строения структуры бумажного полотна до настоящего времени не был определен, в силу чего не была определена и численная величина капиллярных сил и напряжений в бумажном полотне. Возможно по этой причине взгляды А.С. Аведикова, М.С. Острикова и др. не получили практического применения.




Рисунок 7 – Кинетика сушки бумаги




Рисунок 8 – Усадка волокна при сушке

Силы поверхностного натяжения действуют в межволоконном пространстве, стягивая волокна между собой, в результате чего расстояние между волокнами уменьшается. Для суспензий, состоящих из частиц различного размера (волокна, фибриллы, частицы наполнителя, клея и т.п.), очень сложно оценить размер частиц и пор. Поэтому в работе в качестве плоскости поперечного сечения образца, предлагается использовать величину удельной поверхности. Удельная поверхность есть поверхность волокон, отнесенная к единице объема твердой фазы. Величина внешней поверхности волокон сильно зависит от их диаметра (толщины).

Из многочисленных способов определения удельной поверхности в работе использован метод Робертсона и Мэзона, основанный на принципе фильтрации через волокнистый слой.

, (2)

где - пористость;



- коэффициент фильтрации;

- вязкость.

Результаты расчета удельной поверхности по формуле (2) и сжимающих напряжений вызываемых поверхностным натяжением на единице поверхности рассчитанные по формуле представлены в таблице 1.


Таблица 1 – Значение удельной поверхности сульфатной небеленой целлюлозы

Степень помола

, м23

, м/с

Сжимающее напряжение, МПа

20

40

60



80

1,1

5,1


12,0

16,0


0,730

0,630


0,110

0,085


0,065

0,300


0,710

0,960


Сжимающее напряжение, вызываемые поверхностным натяжением действует до тех пор, пока в бумажном полотне имеется свободная вода, т.е. в пределах сухости 65-75 %. После этого в виду уменьшения размера пор удаление гидратной и капиллярной влаги происходит за счет капиллярных сил, что приводит к значительной усадке бумажного полотна. В таблице 2 представлены расчеты величины напряжений в структурных единицах бумаги в зависимости от капиллярных сил.
Таблица 2 – Результаты расчетов изменения капиллярного давления

Размер капилляра, мкм

Содержание воды, %

30

25

20

15

10

5

30

Капил-лярные силы, МПа

0,03

0,04

0,05

0,06

0,10

0,20

2

0,50

0,57

0,73

1,00

1,50

3,40

0,2

4,70

5,40

7,30

10,30

14,00

34,00

0,01

94,79

111,60

140,61

186,72

285,20

570,30

Одной из основных составляющих усадочного напряжения является напряжение упругого сопротивления структуры , противодействующее остальным составляющим усадочных напряжений.

Используя представления о возникновении и развитии напряжений при воздействии на бумажное полотно сил поверхностного натяжения и капиллярных сил, поведение бумажного полотна во время сушки можно описать с помощью реологических моделей.

В первоначальный период сушки, когда в бумажном полотне находится свободная и капиллярная влага, волокна макулатуры находятся в высокоэластическом состоянии. В этот период сушки (до влажности 35-30 %) волокна, обладают низким модулем упругости и низкой вязкостью. Если процесс сушки в этот период идет настолько быстро, что в бумажном полотне за счет деформации волокон возникли напряжения, которые не успели отрелаксировать, и часть деформации волокон «зафиксировалась» за счет возникших с другими волокнами связей, то в этом случае мы имеем релаксирующую среду, которую можно описать реологической моделью Максвелла.

Для модели Максвелла напряжения в ее элементах одинаковы, а деформация равна сумме деформаций ее элементов .

При испытании модели Максвелла на релаксацию напряжения в бумажном полотне спадают во времени по экспоненциальному закону, стремясь при к нулю с постоянной времени , называемой временем релаксации.

Представив модель Максвелла в форме



, (3)

увидим, что если напряжение действует на модель в течение времени , много больше, чем время релаксации (шкала времени модели) т.е. , то действие механизма вязкого течения будет сказываться намного больше, чем механизма упругости. Если , то действие механизма упругости сказывается значительно сильнее, чем действие механизма вязкости.

Физический смысл объяснения реологической модели заключается в следующем: при высокой скорости сушки время сушки бумажного полотна уменьшается. Количество удаляемого пластификатора (воды) в единицу времени возрастает. В волокнах, наряду со скольжением друг относительно друга, возникают упругие деформации, препятствующие уплотнению бумажного листа. Релаксация напряжений в волокнах не успевает за удалением пластификатора. Поэтому к концу сушки (свободная влага полностью удалена, волокна из высокоэластического состояния перешли в застеклованное) напряжения упругого сопротивления возросли, и структура бумажного полотна получается рыхлая с большим содержанием пор и с низкой прочностью из-за сниженного количества контактов между волокнами. Процесс образования рыхлой и непрочной структуры еще более усиливается, если время релаксации велико.

По данным В.И. Комарова, для бумаги из сульфатной целлюлозы , а коэффициент вязкости . При переходе бумажного полотна из застеклованного состояния в высокоэластическое реологические свойства его существенно изменяются. G.M. Bryant, указывает, что для целлюлозных материалов в воде величина модуля упругости составляет порядка 10 и вязкость порядка 104 . Учитывая, что между свойствами отливок и свойствами суспензии существует четкая корреляция, методом интерполирования можно оценить модуль упругости и коэффициент вязкости конкретного бумажного полотна для любой влажности.

При производстве мешочной бумаги на Новолялинском ЦБК время сушки при скорости буммашины 120 м/мин составляет 40 с. Время релаксации напряжений во время сушки составляет с. Т.е. следовательно, получаем, что напряжения «замороженные» (засушенные) в структуре бумаги составляют: , где - относительная деформация бумажного полотна в сушильной части буммашины. При увлажнении такой бумаги «засушенные» упругие напряжения в волокнах способствуют роспуску бумаги на волокна. Таким образом, знание предыстории макулатуры позволяет прогнозировать способность ее к последующему роспуску при увлажнении, и, следовательно, позволяет регулировать бумагообразующие свойства путем дополнительного технологического воздействия.

Суммарные напряжения, возникшие в процессе сушки от сил поверхностного натяжения, капиллярных сил и сил упругого сопротивления структуры фиксируются силами когезионного и адгезионного взаимодействия возникающие при сближении элементов структуры в процессе высыхания до расстояний 2,5-2,8 Å, связанные с образованием водородных связей.

Проведенные нами расчеты показали, что усадочные напряжения, возникающие в бумаге после высушивания, составляют в пределах .

Флотационное извлечение частиц типографской краски

При подготовке макулатуры для производства писче-печатных видов бумаги, санитарно-гигиенической бумаги и других видов бумаги важное значение приобретают процессы, связанные с приданием макулатурной суспензии требуемых оптических характеристик (белизны). Низкие оптические характеристики макулатурных суспензий связаны с наличием в них частиц типографской краски. В настоящее время за рубежом наибольшее распространение находит флотационный способ извлечения частиц краски из макулатурной массы (deinking). В России данная технология развита недостаточно.

Одной из важнейших задач флотационного облагораживания макулатуры является обеспечение оптимального как с точки зрения производительности, так и качества очистки макулатурной массы от типографской краски, гидродинамического режима в ячейке флотатора. Процесс флотационного облагораживания суспензии макулатурной массы проводят при концентрации 0,8-1,5 %. При такой концентрации макулатурная масса представляет из себя структурированную систему, через которую движение пузырька воздуха ограничено, а при размерах пузырьков меньше 1мм представляет непреодолимую преграду. Таким образом, реологические характеристики волокнистой суспензии являются одним из главных факторов, влияющих на процесс флотации частиц типографской краски. В научной литературе таких данных нет.

Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, совершенно недостаточно для решения проблемы флотации типографской краски. Флотационная система волокно–частица краски–пузырек характеризуется довольно сложной гидродинамикой, которая совершенно не разработана. Все найденные нами работы рассматривают движение газового пузырька в дисперсной среде, подчиняющейся ньютоновскому реологическому закону, в то время как волокнистая суспензия представляет из себя неньютоновскую жидкость. Ее реологические характеристики зависят от композиционного состава, степени помола, концентрации и многих других факторов. Для того, чтобы обеспечить быстрое всплывание пузырька воздуха и эффективное взаимодействие его с частицей краски, необходимо волокнистую суспензию перевести из структурированного в диспергированное состояние. Разрушение структуры сети волокон происходит при определенных градиентах сдвига, определяемых с помощью реологической характеристики макулатурной суспензии. После разрушения структуры волокнистая суспензия ведет себя как ньютоновская жидкость. Подобные реологические свойства среды существенно влияют на движение пузырька и в научной литературе не рассмотрены, поэтому представляют большой научный и практический интерес.

При рассмотрении особенностей движения воздушного пузырька в волокнистой суспензии в работе использована сферическая система координат (рисунок 9). Она удобна тем, что для получения реологических соотношений между параметрами можно воспользоваться методом единичной ячейки, применяющейся в теории дисперсных систем.

Рисунок 9 – Сфера с центром

в начале системы координат


В результате получены решения распре-деления скоростей и давлений при движении пузырьков воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии в любой плоскости сферической системы координат

, (4)

, , (5)

(6)


В работе нами получена общая модель элементарного акта флотации при облагораживании макулатуры, состоящая из набора дифференциальных уравнений в частных производных (7)-(10), хорошо согласующаяся с результатами экспериментов (рисунок 10).

, , , (7)

, (8)

. (9)

. (10)

где - концентрации свободных пузырьков, пузырьков с одной и k частицами в слое соответственно;



- концентрации частиц в слое;

- кинетический коэффициент играет роль константы, характеризующей интенсивность извлечения частиц;

- скорость всплывания пузырьков с одной частицей.

Из рисунка 10 видно, что с течением времени концентрация частиц в нижних слоях экспоненциально убывает (11) (рисунок 10Б, кривая на уровне 0,2 метра). Действительно, в самом нижнем слое концентрация свободных пузырьков фактически постоянна и равна . При этом захват частиц происходит преимущественно пустыми пузырьками. Следовательно, уравнение (10) для нижних слоев приближенно выглядит так , , . Его решение очевидно



, . (11)

А Б

▬▬ результаты экспериментов, ▬ ▬ численное решение


Рисунок 10 – Изменение количества частиц по высоте камеры (А) и по времени (Б)
Захваченные в нижних слоях частицы переносятся пузырьками вверх. В средних слоях общее число частиц меняется за счет двух факторов:

  1. Захват свободных частиц пузырьками и их унос вверх;

  2. Увеличение числа частиц в верхней части камеры за счет всплывания снизу пузырьков с частицами.

Следовательно, в средних слоях в течение некоторого времени общее число частиц меняется незначительно. И только через некоторое время первый фактор начинает превалировать т.к. снизу всплывает все меньшее количество частиц. Это видно из рисунка 10Б (кривые 0,4 и 0,6 метра). В верхних слоях преобладающим является второй фактор. Захват здесь малосущественен, потому что большинство пузырьков уже захватили частицы в нижних и средних слоях. Поэтому с течением времени общее число частиц в верхних слоях увеличивается до тех пор, пока не очистятся нижние и средние слои.

Соответственно распределение общего числа частиц по высоте с течением времени представляет все более резко возрастающую функцию рисунок 10Б. В нижних слоях число частиц убывает со временем рисунок 10А (0,2 – 0,4 м.). В средних приблизительно постоянно рисунок 10А (0,6 м.). В верхних слоях общее число частиц растет рисунок 10А (0,8 – 1,0 м.).

Для проверки адекватности предложенной модели флотации использовали один из методов численного расчета – метод конечных разностей. Аппроксимировав (7)-(10) на построенной сетке разностными соотношениями представили в следующем виде

, (12)

, (13)

, . (14)

Предложенная система уравнений (12)-(14), позволила организовать удобный вычислительный процесс, в котором искомые сеточные функции были последовательно рассчитаны переходя с одного временного слоя на последующий.

После окончания работы вычислительных циклов были найдены все искомые сеточные функции во всех узлах расчетной сетки. Соответствующие выборочные значения найденных сеточных функций позволяют сравнивать расчетные значения (пунктирные линии) с экспериментальными (сплошные линии), представленные на рисунке 10 А и Б.

Для правильной оценки работы аппаратов для облагораживания макулатуры очень важно знать гидродинамические параметры флотатора, такие как распределение скоростей потоков бумажной массы по объему аппарата. Поле скоростей определяет не только вероятность столкновения пузырек-частичка типографской краски , но и возможности адгезии (прилипания) частичек к пузырьку , а также возможности выноса агрегата пузырек-частица на поверхность .

Не каждая частица, находящаяся в суспензии, столкнется с проходящим через суспензию пузырьком. При заданном размере пузырьков вероятность столкновения зависит от крупности частиц, количества пузырьков, способа перемешивания.

Вероятность столкновения ( ) описывают уравнением



, (15)

где - число частиц, столкнувшихся с пузырьками за время ;



- общее число частиц.

В работах Б.В. Дерягина, С.С. Духина, Н.Н. Рулева рассмотрена траектория движения частицы относительно пузырька (рисунок 11). Из рисунка 11 видно, что в гидродинамическом поле пузырька не все частицы могут столкнуться с пузырьком, а только те, которые содержатся в трубке тока с радиусом .

По экспериментально полученным в работе размерам частиц и пузырьков вероятность их встречи, представленная на рисунке 12, хорошо описывается уравнением (16) полученным численным методом

, (16)

где и - радиусы частицы и пузырька соответственно.

В уравнении (16) величина Рейнольдса принимается, исходя из крупного масштаба турбулентности, т.е. не размеров частиц и пузырьков, а размера флотатора и скорости суспензии, при которой происходит разрушение структуры волокнистой суспензии.

Критическая величина , при которой происходит разрушение структуры для макулатурной массы степенью помола 20 0ШР составляет , где - скорость волокнистой суспензии, при которой происходит разрушение структуры, определяется экспериментально, - динамический коэффициент вязкости, принимаем из реологической кривой макулатурной массы концентрацией 1,0 % со степенью помола 20 0ШР.




1 - предельная траектория, 2 - при ,






3 - при 4 – вне области сил гидродинамичекого взаимодействия

Рисунок 11 – Движение частицы



Рисунок 12 – Зависимость вероятности столкновения (встречи) пузырек – частица от размеров частиц и пузырьков

Из рисунка 12 видно, что при уменьшении размеров пузырьков воздуха (увеличении их суммарной удельной поверхности) вероятность столкновения увеличивается. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований проведенных Шульце Х.И. и другими исследователями по влиянию объемной доли воздуха и концентрации макулатурной суспензии на изменение белизны макулатуры являющейся косвенным показателем эффективности флотации при различных размерах воздушных пузырьков.

Не каждая частица, столкнувшаяся с пузырьком, закрепится на его поверхности. Отношение числа закрепившихся частиц, к числу столкнувшихся называют вероятностью закрепления (адгезии)

. (17)

Вероятность закрепления частиц, столкнувшихся с пузырьком, определяется временем утоньшения водной прослойки между частицей и пузырьком до ее критического значения и временем скольжения частицы по поверхности пузырька. Все частицы, время скольжения которых больше времени утоньшения жидкостной пленки, закрепляются на пузырьке.

Безынерционная частица краски будет двигаться вдоль соответствующих линий тока до тех пор, пока она не попадет в область действия сил гидродинамического взаимодействия частицы с пузырьком (рисунок 11). Силы гидродинамического взаимодействия отклоняют траекторию движения частицы от пузырька, а вязкое сопротивление пленки между пузырьком и частицей уменьшает скорость ее утоньшения и соответственно увеличивает время утоньшения.

Скорость утоньшения пленки, с учетом заторможенности поверхности пузырька определили по формуле предложенной в работах Б.В. Дерягина



, (18)

где - скорость пузырька;



- радиусы частицы и пузырька соответственно;

- толщина пленки между частицей и пузырьком.

Используя экспериментально полученные результаты по скорости всплывания пузырьков, на рисунке 13А представлены результаты расчетов вероятностей адгезии.

Вероятность стабилизации (выноса) агрегата пузырек-частица определяется отношением числа сфлотированных частиц к числу частиц закрепившихся на пузырьке

. (19)

Численно вероятность стабилизации (выноса) агрегата пузырек-частица на поверхность в пену определили с использованием уравнения предложенного в работах О.М. Соковнина



(20)

где - силы сопротивления (отрыва), силы тяжести и силы адгезии соответственно.

Особенность использования уравнения (20) в нашей работе заключается в том, что силы адгезии рассчитаны нами с использованием теории ДЛФО, на основании экспериментально полученных результатов снижения потенциально-энергетического барьера обусловленного электростатическими силами отталкивания (рисунок 16). Результаты расчета вероятности стабилизации представлены на рисунке 13Б.

А Б

Рисунок 13 – Вероятность адгезии в зависимости от размеров частиц и пузырьков (А),

и вероятность стабилизации (выноса) агрегата пузырек-частица краски на поверхность

в пену (Б)


Таким образом, удельная скорость флотации (эффективность флотации) есть произведение всех трех вероятностей и определяется по формуле

, или , (21)

где - количество частиц, сфлотированных в промежуток времени от до ,



- число частиц в суспензии в момент времени ;

- количество частиц закрепившихся на пузырьке;

- количество частиц столкнувшихся с пузырьком.

Поскольку макулатурная масса, используемых при флотации концентраций 0,8-1,5 %, представляет из себя структурированную систему, и для пузырька воздуха является непреодолимой преградой, необходимо создать такие скорости потоков, при которых структурированное движение переходит в диспергированный поток. В аппаратах колонного типа это достигается установкой на дне аппарата мешальных устройств.

Исследованию распределения скорости жидкости в аппаратах с мешалками посвящено много теоретических и экспериментальных работ. Однако ввиду сложного характера течения жидкости в таких аппаратах, математическое описание распределения скоростей удалось получить только для некоторых простых случаев. Исследований работы мешальных устройств при облагораживании макулатурной массы во флотаторах обнаружить не удалось.

Используя достижения отечественных школ по реологии волокнистых суспензий О.А. Терентьева и И.Д. Кугушева, нами разработан теоретически и подтвержден экспериментально гидродинамический режим в ячейке флотатора, (рисунок 14). Ячейка флотатора рассматривается как гидравлическая машина, обеспечивающая замкнутую циркуляцию волокнистой суспензии по меридиональной циркуляционной петле I-III.

На рисунке 14 представле-на принципиальная схема конс-трукции и кинематики движе-ния потока в ячейке флотатора в меридиональной плоскости.

При работе флотатора импеллер можно уподобить центробежному насосу, сообща-ющему макулатурной массе энергию, которая заставляет ее двигаться по циркуляционной петле в условиях диспергирова-ния волокон.

Величина насосного эффекта дает возможность орга-низовать движение волокнистой

Рисунок – 14 Ячейка флотатора


суспензии по сечению флотатора таким образом, чтобы обеспечить движение ее в диспергированном режиме.

Энергия движения потоку передается лопатками мешального устройства. Эта энергия расходуется на преодоление суммы всех гидравлических потерь в циркуляционной петле, т.е. обеспечивается баланс энергии в круге циркуляции описываемом уравнением



. (22)

где – интегральная сумма гидравлических потерь по IIII контуру круга циркуляции.

Экспериментальное зондирование потока в ячейке флотатора позволило получить структуру скоростей в меридиональной плоскости флотатора. В сечениях , и представлены эпюры скоростей, характеризующие распределение потоков в экспериментальном флотаторе, а также его размеры.


следующая страница >>