«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ИВАНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САНИТАРНОГИГИЕНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Руденко А.П.

Красноярск –

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1 Современное состояние производства санитарно-гигиенических видов бумаги

1.1 Тенденции развития рынка санитарно-гигиенических видов бумаги..... 1.2 Технология производства бумаги санитарно-гигиенического назначения

1.3 Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы

1.4 Основные теоретические и экспериментальные представления процесса перемешивания

1.5 Особенности перемешивания целлюлозы

1.6 Постановка задач исследования

Глава 2 Теоретические исследования гидродинамики движения потоков жидкости в перемешивающих аппаратах

2.1 Исследование гидродинамики процесса перемешивания в аппарате цилиндрической конструкции посредством компьютерного моделирования

2.2 Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы

Глава 3 Методическая часть проведения экспериментальных исследований.... 3.1 Методика исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов различной конструкции

3.2 Методика исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги

3.3 Планирование экспериментальных исследований и математическая обработка полученных результатов

Глава 4 Экспериментальные исследования и анализ результатов

4.1 Экспериментальные исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов посредством ИВК

4.2 Экспериментальные исследования физико-механических и гидрофильных свойств санитарно-гигиенической бумаги

4.3 Определение критерия мощности при работе аппарата профилированной формы

4.4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований...... Глава 5 Практическое применение результатов исследований

5.1 Определение диспергированного режима течения волокнистой массы в перемешивающем аппарате различной конструкции

5.2 Определение оптимальных технологических режимов работы перемешивающего аппарата с профилированными элементами корпуса............ 5.3 Методика инженерного расчета профилированного корпуса емкостного аппарата

5.4 Условно – экономический эффект работы аппарата профилированной формы с ротором геликоидального типа

Выводы по работе

Библиографический список

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Приложение К

Приложение Л

Приложение М

Приложение Н

Введение Производство санитарно-гигиенических изделий – 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.

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 [1].

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 сокращения производственных и иных издержек (в настоящее время удельные затраты электроэнергии составляют до 0,8 кВт/м3).

Неотъемлемым этапом производства СГИ является перемешивание, включающее несколько отдельных процессов. На каждом этапе необходимо получить требуемые технологические результаты, расходуя как можно меньше электроэнергии. На первый взгляд, эта задача не выглядит сложной.

Однако при более пристальном рассмотрении обнаруживается, что эффективное перемешивание требует сложных технологий и высокого уровня решения инженерных задач.

На целлюлозном предприятии существует множество процессов, которые требуют применения специальных аппаратов с мешалками. Самые распространенные из этих процессов – растворение химических ингредиентов, хранение массы с высокой и низкой концентрацией, перемешивание и гомогенизация. Для того чтобы гарантировать оптимальные технологические результаты при минимально затрачиваемой электроэнергии, важно:

а) Выбрать правильную интенсивность перемешивания. Очень слабое перемешивание приводит к неравномерной концентрации целлюлозной волокнистой суспензии, что может вызвать проблемы с качеством и привести к производственным потерям. Чрезмерно сильное перемешивание увеличивает расход электроэнергии без видимого улучшения результатов процесса.

б) Достаточно квалифицировано использовать предварительно собранную точную и полную информацию о параметрах целлюлозы и конструкции емкостного оборудования, так как именно они будут косвенно значительно влиять на потенциальный расход электроэнергии.

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 работе, а, следовательно, и к повышенной себестоимости продукции [2].

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. При этом возникает необходимость именно в таком оборудовании, которое легко бы встраивалась в автоматизированные линии, и обеспечивало бы при этом автоматизированный контроль качества готовой продукции.

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 умеренное 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 и необходимых химических ингредиентов.

Оригинальное профилирование корпусных элементов перемешивающих аппаратов, как в целлюлозно-бумажной, так и в других отраслях промышленности (химической, пищевой, фармацевтической, парфюмерной и др.) позволит снизить образование застойных зон не только статического, но и динамического характера, и как закономерный результат в итоге получение высококачественной продукции с минимальными энергозатратами.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА

САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ВИДОВ БУМАГИ

1.1 Тенденции развития рынка санитарно-гигиенических видов бумаги На ведущих мировых рынках санитарно-гигиенических изделий выделяют следующие основные сегменты и разделы:

1 Ролевые СГИ:

- бумага туалетная;

- ролевые и бумажные полотенца;

- ролевые СГИ медицинского назначения.

2 Неролевые СГИ:

- складные бумажные полотенца;

- бумажные салфетки общего назначения;

- бумажные салфетки специального назначения (для нужд протирания зеркал, мониторов компьютеров, для нужд «автокосметики», гигиенические, со специальным запахом и т.д.);

- бумажные скатерти;

- одноразовые носовые платки;

- неролевые СГИ медицинского назначения [1].

Как видно из показателей, представленных в таблице 1.1, в 2011-2012 гг.

рост потребления СГИ (по сравнению с 2010 г.), замедлился практически во всех регионах мира. Данная ситуация указывает на то, что конкуренция на региональных рынках стремительно растет, заставляя производителей СГИ все больше внимания уделять вопросам качества выпускаемой продукции, поиска путей сокращения производственных и иных издержек, а также подталкивает производителей к дальнейшему расширению ассортимента. По мнению специалистов, именно широкомасштабное предложение новинок на рынках позволит отрасли и в дальнейшем развиваться динамично и успешно [3, 4].

Таблица 1.1 – Рост потребления СГИ на региональных мировых рынках, % Потребление, США, Канада Потребление, Потребление, Польша Потребление, Франция Потребление в среднем, Западная Европа Как следует из данных, представленных в таблице 1.2 в 2012 г. продолжились тенденции по изменению товарных рядов, свойственных последнему пятилетию. Устойчиво уменьшаются товарные доли туалетной бумаги и обычных салфеток, растут товарные доли одноразовых носовых платков и салфеток специального назначения.

Таблица 1.2 – Экспертная оценка распределения на мировом рынке долей по основным видам СГИ, % Ролевые и складные бумажные полотенца Салфетки общего назначения Салфетки специального назначения Одноразовые носовые платки Прочие СГИ медицинского назначения Предполагается, что эта тенденция – в самое ближайшее время - затронет и российский рынок санитарно-гигиенических изделий.

Лидеры на мировом рынке санитарно-гигиенических изделий: группа Georgia – Pacifik Tissue (США); SCA Hygiene Products (Швеция); Kimberly – Clark; Procter & Gambl [3].

При этом происходит наращивание объемов производства СГИ. В частности, группа Heinzel устанавливает новую бумагоделательную машину мощностью 80 тыс. т/год санитарно-гигиенической бумаги на фабрике Zellstof Polls в Австрии. Ввод в действие технологической линии хвойной беленной сульфатной целлюлозы и бумагоделательной машины запланирован на IV кв. 2013 г.

Вместе с тем, продолжилось строительство новых фабрик по производству санитарно-гигиенических изделий и в странах Южной Америки и ЮгоВосточной Азии.

Корпорация Metso заключила контракт с компанией Forestal y Papelera Concepcion на изготовление и поставку БМ Advantage NT T-200 шириной 5, метров и мощностью 70 тыс. т/год для производства санитарно-гигиенической бумаги на фабрике в Чили. Ввод в действие технологической линии запланирован на IV кв. 2014 года.

Компания Mianyang Chaolan Paper планирует смонтировать две БМ производительностью по 10 тыс. т/год санитарно-гигиенической бумаги на фабрике в городе Mianyang (Sichuan, Китай). Основное оборудование технологических линий БМ шириной 2,82 м с расчетной скоростью 900 м/мин изготавливает и поставляет китайский завод Weifang Hicredit Machinery. Ввод в действие БМ- запланирован на ноябрь 2013 года, а БМ-2 на август 2014 года.

Компания Yunnan Yunjing Forestry & Paper выдала заказ корпорации Metso на поставку БМ производительностью 30 тыс/год санитарно-гигиенической бумаги для комбината в городе Puer (Yunnan, Китай). Для выработки бумаги высокого качества планируют использовать беленую целлюлозу. Ввод в действие БМ намечен на III кв. 2014 года [4].

В России из всех направлений целлюлозно-бумажной промышленности РФ, отрасль бумажных санитарно-гигиенических изделий (тиссью) до последнего момента росла наибольшими темпами, что связано с ее уникальным положением в российском целлюлозно-бумажном комплексе.

Устойчивость и высокие долговременные темпы роста, характеризовавшие российский рынок тиссью (около 9,2 % по итогам 2011 г. [3]), связаны, прежде всего, с относительно низким уровнем потребления СГИ в России. По данным организации Euromonitor International, Россия входит в число пяти самых быстрорастущих европейских рынков в рассматриваемой сфере.

По данным на 2008 год, объем потребления тиссью 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.

По самым пессимистическим оценкам (среднегодовой прирост от 5 до 6,5 %) к 2015 году объем потребления тиссью в России составит около 450 тыс. тонн (менее 4 кг/чел. в год). С учетом действующих производственных мощностей, а также реализации заявленных проектов по пуску новых БДМ и вполне ожидаемых оптимистичных сценариев развития экономики России, разрыв между спросом и внутренним предложением может достичь 200 - 250 тыс.

тонн.

Основные причины роста производства:

- рост экономики страны (рост ВВП 6 - 8 %);

- урбанизация страны – это связано даже не столько с ростом городов и доли городского населения, сколько с проникновением городского образа и стиля жизни в глубинку России;

- рост численности населения (в последние годы наметилась тенденция к улучшению демографической ситуации), что выражается в увеличении потребления СГИ медицинского назначения и средств ухода за детьми;

- появление на рынке западных ритейлеров;

- развитие ресторанного и гостиничного бизнеса, сетей быстрого питания (выражается в первую очередь в увеличении потребления салфеток) и рядом других факторов [5].

Подобная благоприятная ситуация подвигла многих игроков рынка к различным инвестиционным проектам, направленным на значительное увеличение производственных мощностей как в области производства бумаги-основы санитарно-гигиенического назначения, так и готовых изделий.

В 2008 - 2014 гг. в отрасли были и будут реализованы следующие важные производственные проекты [5, 6].

2008 год:

- ОАО «Сясьский ЦБК», Ленинградская область – пуск БДМ - 2 компании OverMeccanica, производительностью до 30 тыс. тонн/год.

- ОАО «Сыктывкарский Тиссью Груп», республика Коми – пуск БДМ - компании Metso Paper, производительностью до 30 тыс. тонн/год.

- ООО «Мется Тиссью», Московская область – пуск завода по выпуску бумажных СГИ (две линии конвертинга компании Fabio Perini и 1 линия по выпуску промышленной продукции).

- ООО «Эс-Си-Эй Хайджин продактс Раша» (SCA), Тульская область – пуск конвертинга компании Fabio Perini.

- ЗАО «Алтайкровля», Алтайский край – пуск БДМ фирмы Copasa (Испания), производительностью до 570 тонн бумаги-основы в месяц.

2009 год:

- ОАО «Сясьский ЦБК», Ленинградская область – пуск линии конвертинга компании Gambini.

- ООО «Эс-Си-Эй Хайджин продактс Раша» (SCA), Тульская область – пуск новой БДМ, сырье – макулатура, производительность – 30 тыс. тонн/год.

- ООО «Эс-Си-Эй Хайджин продактс Раша» (SCA), Ленинградская область – пуск новой линии конвертинга.

- ООО «Бриз», Краснодарский край – пуск новой салфеточной линии.

2010 год:

- ООО «Кимберли-Кларк», Московская область – пуск новой линии конвертинга.

2012 год:

- ОАО «Сясьский ЦБК», Ленинградская область – пуск в работу новой бумагоделательной машины № 2 и линии конвертинга Gambini № 4.

2014 год:

- ОАО «Сыктывкарский Тиссью Груп», Ярославская область – пуск в работу новой бумагоделательной машины по выпуску санитарно-гигиенической бумаги мощностью 30 тыс. тонн, шириной 2,7 м, рабочая скорость 2000 м/мин.

Поставщик – компания Metso.

Кратко обозначим основные особенности российского рынка тиссью:

- По рынку в целом: низкая и географически непропорциональная доля сегмента продукции премиального класса; низкая доля бумажной санитарногигиенической продукции промышленного назначения; неустойчивое и часто ограниченное предложение продукции в розничной сети в отношении видового и марочного ассортимента; существенная региональная дифференциация предложения в розничной сети за счет высокой доли продукции (туалетная бумага в бумажной бандероли и салфетки) локальных мелких производителей; существенно более низкий, по сравнению с западноевропейским, уровень частных торговых марок в розничной торговле.

- По туалетной бумаге: непропорционально высокая доля туалетной бумаги (выпуск в 2008 году – 1774,19 млн. усл. рулончиков или около 80-85 % против 60 % в Западной Европе); очень высокая доля низкокачественной однослойной бумаги (не менее 70 %) и крайне низкая доля высококачественной многослойной продукции (не более 3 %) при высоких темпах роста потребления двухслойной бумаги.

- По бумажным полотенцам: очень сильная ценовая дифференциация продукции (дешевые однослойные салфетки и дорогие трехслойные с рисунком) с очень малым предложением среднего ценового предложения (двухслойные салфетки); высокая доля низкокачественной однослойной продукции; перенос потребителями функциональных свойств бумажных полотенец на салфетки; высокая доля салфеток (относительно бумажных полотенец) в структуре СГИ.

- По бумажным носовым платкам: дефицит предложения на рынке высококачественной продукции российского производства; по-прежнему низкий уровень потребления при темпах роста выше среднего.

Ориентировочная структура рынка тиссью в 2009 году (весь внутренний рынок: 350 тыс. тонн) следующая: туалетная бумага - 285 тыс. тонн или 81 %;

бумажные полотенца - 15 тыс. тонн или 4 %; бумажные салфетки – 30 тыс. тонн или 10 %; прочие тиссью - 20 тыс. тонн или 5 % [6].

Как видно из представленных данных, основным видом санитарногигиенических изделий, выпускаемых в России, по-прежнему остается – по емкостным и финансовым показателям – туалетная бумага.

Если структура рынка СГИ по видам продукции относительно проста и стабильна, то распределение основных компаний-игроков на рынке отличается мозаичностью и участием множества игроков. В России присутствуют как ведущие международные компании со своими мировыми брендами, так и довольно мощные российские компании, продвигающие собственные торговые марки.

Лидирующие позиции и по потребительской, и по профессиональной продукции принадлежат компании SCA (19 % в материальном выражении, около 30 % в стоимостном выражении). Другие международные компании не открыли собственного производства для СГИ в России, и их инвестиции в производство в стране были ограничены. Экономический кризис только подчеркнул эту тенденцию – он мог стать причиной приостановки ряда инвестиционных проектов.

В итоге на рынке потребительской продукции вторую - четвертую позиции с долями около 10 % занимают ведущие российские компании-производители СГИ: Набережночелнинский КБК, АО «Сыктывкар Тиссью Груп» и Сясьский ЦБК. Им немного уступают компании Georgia Pacific, Kimberly-Clark и Metsa Tissue, имеющие в России только конвертинговые производства [7].

На российских региональных рынках продолжается устойчивый рост потребления туалетной бумаги. Более того, по итогам 2012 года рост потребления (по сравнению с 2011 годом), составил 12,58 %.

Темпы роста потребления в России изделий сегмента неролевых СГИ на протяжении многих лет значительно отставали от аналогичных среднестатистических показателей роста, свойственных рынкам большинства развитых и развивающихся стран. Это обуславливалось следующими факторами: вопервых, низкой платежеспособностью населения России; во-вторых, консервативным подходам российских потребителей к выбору ассортимента товаров бытового назначения.

Но, начиная с 2004 г., российское потребление неролевых СГИ растет достаточно планомерно и уверенно, особенно на территории Федеральных Округов, расположенных в европейской части России. Естественно, что в 2008 - годах этот рост под влиянием последствий мирового финансового кризиса резко замедлился, но сейчас ситуация нормализовалась.

Как видно из показателей, представленных в таблицах 1.3 и 1.4, основными потребителями неролевых СГИ на сегодняшний день является Центральный и Северо-Западный Федеральные Округа [7, 8].

Таблица 1.3 – Региональная долевая сегментация по производству в России белых и цветных обычных бумажных салфеток, 2003 - 2012 годы, % Центральный Северо-Западный Приволжский Дальневосточный Таблица 1.4 – Региональная долевая сегментация потребления неролевых СГИ в России (экспертная оценка), 2003 - 2012 годы, % Центральный Северо-Западный Приволжский Дальневосточный Как видно из представленных материалов, за последние несколько лет во многих регионах России, которые раньше 100 % неролевой санитарногигиенической продукции завозили «из вне», введены в действие новые производственные мощности по выпуску бытовых салфеток и бумажных носовых платков. Заработали небольшие профильные фабрики в Новосибирске, Алтайском крае, Республике Татарстан, в Московской области. В то же время основными потребителями данной продукции остались Центральный и СевероЗападный Федеральные округа. Это, в свою очередь, свидетельствует о том, что, во-первых, российский рынок реализации неролевых СГИ на сегодняшний день полноценно не сформирован, и большинство продаж, по прежнему – как и в предыдущие годы, (мнение руководителей розничных торговых сетей) носят хаотический характер, причем, как в емкостном, так и в ассортиментом понимании. Во-вторых, на других региональных рынках существуют значительные резервы торгового потенциала, поэтому необходимо открывать новые предприятия и развивать существующие производственные мощности по выпуску недорогой и качественной продукции в данных регионах [9].

1.2 Технология производства бумаги санитарно-гигиенического назначения Санитарно-бытовые изделия на основе целлюлозы и древесной массы предназначены для частичной или полной замены текстильных материалов и хлопка в аналогичных условиях при ограниченном сроке их эксплуатации (изделия разового или кратковременного пользования). При этом изделия должны быть дешевыми, по физико-механическим, эстетическим и гигиеническим свойствам соответствовать целевому назначению. Более низкая стоимость санитарно-бытовых изделий на основе древесных волокон по сравнению с аналогичными изделиями из текстильных материалов и хлопка, применяемых для этих целей, достигается благодаря применению более дешевого сырья.

Изделия санитарно-гигиенического и бытового назначения изготавливают из бумаги, состав по волокну который содержит: целлюлозу; отборы сортирования целлюлозы; механическую, термомеханическую или химикотермомеханическую древесную массу; химические волокна и макулатуру бумажную и картонную по ГОСТ 10700 - 97 [10], кроме марок МС-4А, МС-9В, МС-11В, МС-12В, МС-13В с показателями качества и в соотношениях, обеспечивающих изготовление изделий в соответствии с требованиями ГОСТ Р 52354-2005 [11].

В зависимости от вида изделия, области его использования, технических характеристик перерабатывающего оборудования используют бумагу-основу с соответствующими физико-механическими свойствами. При этом не существует каких-либо единых норм этих показателей, как и единых рекомендаций по выбору волокнистого сырья. Бумага-основа должна обеспечивать получение изделий с необходимым комплексом свойств – иметь достаточную прочность в сухом и влажном состояниях, хорошую впитываемость и т.п.

Общим требованием, предъявляемым к санитарно-бытовым изделиям на основе растительных древесных волокон, является их не токсичность. Выполнение этого требования ставит некоторые ограничения на выбор волокнистого сырья и химических вспомогательных веществ (влагопрочные добавки, поверхностно-активные вещества, химикаты для повышения впитывающей способности и мягкости, уменьшения пылимости и т.п.), используемых для придания специальных свойств бумаге и устранения технологических затруднений на различных стадиях технологического процесса получения волокнистых полуфабрикатов, бумаги и изделий.

Большое влияние на качество санитарно-бытовых видов бумаги помимо свойств исходных волокнистых полуфабрикатов оказывают также режимы их подготовки. Бумага санитарно-бытового назначения имеет низкую массу 1 м (от 10 до 50 г), что в совокупности с условиями ведения процессов отлива, обезвоживания, прессования и сушки при высоких скоростях (до 2500 м/мин) требует применения специальных бумагоделательных машин.

Для достижения необходимой прочности, обеспечивающей прохождение бумажного полотна через бумагоделательную машину и перерабатывающие устройства без обрывов, а также достижения требуемых эксплуатационных свойств бумаги массу из целлюлозных волокон хвойной и лиственной древесины подвергают незначительному размолу до степени помола от 23 до 25° ШР [12]. С повышением степени помола увеличивается поверхность волокон, главным образом за счет их фибриллирования и, как следствие, возрастает прочность бумаги, образуется более сомкнутая структура бумажного полотна, характеризующаяся меньшей пухлостью, впитываемостью и мягкостью.

В то же время технология выработки мягких, пухлых, впитывающих видов бумаги накладывает определенные ограничения на процессы отлива бумажного полотна, его обезвоживания, прессования и сушки. Так, например, при производстве санитарно-бытовых видов бумаги на бумагоделательном оборудовании особое значение имеет выбор концентрации суспензии волокон при напуске на сетку, от чего в значительной степени зависит однородность бумажного полотна, а, следовательно, и его физико-механические свойства. Важную роль играет при этом и степень помола. Садкая бумажная масса, легко отдающая воду, при выработке тонких видов бумаги с равномерной структурой требует большего разбавления, чем при производстве более толстых бумаг. При получении санитарно-бытовых видов бумаги, в зависимости от массы 1 м2, применяемых волокнистых полуфабрикатов и конструкции формующих устройств, концентрация волокнистой суспензии при напуске на формующий элемент составляет от 0,1 до 0,4 % [13].

Другой отличительной особенностью производства многих санитарнобытовых видов бумаги является наличие операции крепирования, способствующей увеличению ее мягкости, пухлости, растяжимости.

Волокнистое сырье. Бумагу санитарно-бытового назначения вырабатывают из одного, двух, трех, а иногда и более волокнистых полуфабрикатов растительного происхождения, подготовленных соответствующим образом. Физико-механические и эксплуатационные (потребительские) свойства бумаги зависят в первую очередь от морфологического и химического состава волокнистых полуфабрикатов, используемых при ее изготовлении [13 - 17]. Режимы размола, отлива бумажного полотна и сушка дополняют переменные свойства сырья, но в тоже время до определенной степени зависят от него. Последнее очень важно, если учесть, что санитарно-бытовые виды бумаги должны обладать комплексом свойств, отличным от других видов бумаги, а именно высокой мягкостью, впитываемостью и т. п. Размол массы, отрегулированный на получение максимальной прочности на разрыв, приводит к уменьшению мягкости, затруднениям при обезвоживании бумажного полотна на сетке бумагоделательной машины и, как следствие, к снижению ее производительности.

При выборе волокнистых полуфабрикатов следует, в первую очередь, исходить из требований (хорошая впитываемость, мягкость, достаточная прочность, белизна (для неокрашенных изделий)), предъявляемых к конечному продукту. В совокупности эти требования часто не могут быть достигнуты применением какого-либо одного вида волокнистых полуфабрикатов или изменением технологии производства бумаги, улучшение одного показателя бумаги влечет обычно к ухудшению других. Например, рассматривая бумагообразующие свойства сульфитной и сульфатной хвойной и лиственной целлюлоз, можно отметить, что ни один из этих полуфабрикатов не обеспечивает получения санитарно-бытовых видов бумаги с требуемым оптимальным комплексом физико-механических свойств. Лиственная целлюлоза способствует получению бумаги с хорошей впитываемостью и мягкостью, но меньшей механической прочностью. В то же время бумага из сульфатной лиственной целлюлозы имеет наибольшую пылимость, что затрудняет как ее выработку, так и использование по назначению изделий на ее основе. При получении бумаги из 100 %-ной сульфатной хвойной целлюлозы, содержащей большее количество гемицеллюлоз, бумага приобретает повышенную механическую прочность, наименьшую пылимость, но соответственно более низкую мягкость. Бумага из 100 %-ной сульфитной целлюлозы характеризуется промежуточными значениями прочности и мягкости по сравнению с сульфатной хвойной и сульфатной лиственной целлюлозой. При этом благодаря большей средней длине волокон у бумаги из 100 %-ной сульфатной хвойной целлюлозы она имеет большую пухлость и впитывающую способность, чем бумага из 100 %-ной сульфитной целлюлозы. В этом случае, для получения бумаги, отвечающей всем предъявляемым к ней требованиям, используют в определенном соотношении несколько волокнистых полуфабрикатов. Санитарно-бытовые виды бумаги вырабатывают обычно из двух-трех волокнистых полуфабрикатов. Варьируя композиционным составом и изменяя технологические режимы подготовки бумажной массы, отлива и сушки можно достичь требуемого комплекса физико-механических свойств бумаги [13].

Механической прочности, которую необходимо обеспечить большинству санитарно-бытовых видов бумаги, можно достичь практически при использовании всех видов целлюлозы. Поэтому при выборе волокнистых полуфабрикатов в первую очередь уделяется внимание степени их пригодности для получения мягких, впитывающих видов бумаги, а в некоторых случаях и белизне, например при изготовлении косметических салфеток, носовых платков, неокрашенных (белых) салфеток. В то же время, учитывая, что санитарнобытовые виды бумаги получают на бумагоделательном оборудовании при очень высоких скоростях (до 2500 м/мин), волокнистый полуфабрикат должен обеспечивать быстрое обезвоживание и сушку бумажного полотна, необходимую степень прилипания к сушильному цилиндру в случае получения крепированной бумаги.

Верхний предел механической прочности, который может быть достигнут при использовании того или иного вида целлюлозы, следует ограничивать, так как высокая прочность влечет за собой снижение мягкости и впитывающей способности. Механическая прочность санитарно-бытовых видов бумаги должна в первую очередь обеспечивать бесперебойную работу бумагоделательного и перерабатывающего оборудования с минимальным количеством брака, а также соответствовать условиям эксплуатации изделий из этой бумаги.

Для получения мягких видов бумаги санитарно-бытового назначения в большинстве случаев в композицию вводится определенный процент сульфитной беленой целлюлозы из хвойных пород древесины. Эта целлюлоза характеризуется более высокой белизной, чем сульфатная, и меньшей длиной и шириной волокон. Меньшее содержание гемицеллюлоз в сульфитной целлюлозе из хвойных пород древесины, чем в сульфатной, приводит к уменьшению прочности и увеличению мягкости и впитывающей способности бумаги. Также для этих целей рекомендуется применять бисульфитную целлюлозу. Бумагу, к которой предъявляются меньшие требования по мягкости (основа для салфеток, полотенец и т.п.), можно изготовлять из сульфатной хвойной целлюлозы средней жесткости. Подкладочные и влагопрочные бумаги санитарно-бытового назначения, к которым предъявляются высокие требования по механической прочности, но меньшие по мягкости могут изготовляться из сульфитной жесткой целлюлозы, бисульфитной среднежесткой и из сульфатной мягкой и среднежесткой целлюлоз. Сохранение достаточной мягкости и впитывающей способности при использовании жесткой сульфитной целлюлозы из хвойных пород древесины достигается путем умеренной гидратации волокон, определяемой невысокой степенью помола (от 16 до 22° ШР) [13].

Введение в бумажную массу, состоящую из хвойной целлюлозы, беленой лиственной целлюлозы, особенно сульфатной целлюлозе (обычно не более 30 %) позволяет повысить впитываемость бумаги, пухлость, равномерность структуры. Поэтому целлюлоза из лиственных пород древесины находит все более широкое применение при выработке санитарно-бытовых видов бумаги. В то же время целлюлоза из лиственной древесины расширяет сырьевую базу, служит одним из средств удешевления этой продукции. Тонкостенные короткие волокна лиственной целлюлозы добавляются в композицию бумаги санитарно-бытового назначения в слабо размолотом или не размолотом виде. При этом достигается хороший просвет бумаги, хорошее формирование бумажного полотна без высокого сопротивления обезвоживанию и быстрая сушка.

Для улучшения впитывающей способности, мягкости и белизны бумаги санитарно-бытового назначения в ее композицию иногда вводят хлопковую целлюлозу, характеризующуюся большим содержанием -целлюлозы (96 очень малым содержанием гемицеллюлоз (менее 1 %) и высокой степенью белизны (90 - 95% белого). При добавке облагороженной целлюлозы (отбраковки от кондиционной) с содержанием а-целлюлозы 90 - 93 % и вязкостью 0,06 Па·с улучшается мягкость и впитывающая способность бумаги санитарнобытового назначения. Хлопковая и облагороженная целлюлоза добавляются в композицию при изготовлении лишь высокосортных видов бумаги (косметических, многослойных салфеток и т. п.). Добавка их не превышает обычно 20 %.

В последнее время наблюдается рост использования в композиции санитарно-бытовых видов бумаги различных видов древесной массы (дефибрерной, рафинерной, химико-механической, термомеханической и др.) и макулатуры.

Содержание древесной массы в композиции этих видов бумаги зависит как от ее качества, так и требований к бумаге в процессе ее эксплуатации. Из опыта зарубежных фирм известно, что в белых видах бумаги (салфетки, гигиенические пакеты, детские пеленки и подгузники и т. п.) содержание белой древесной массы может составлять 20 - 30 %, а в окрашенных (туалетная бумага, полотенца, салфетки) – 40 – 60 %. Применение древесной массы в композиции бумаги позволяет повысить ее пухлость, придать некоторую шероховатость поверхности. Одним из препятствий увеличения использования древесной массы при выработке впитывающих видов бумаги является ее старение при хранении, выражающееся в снижении впитывающей способности и пожелтении. Последнее не имеет особого значения при выработке окрашенных видов бумаги. Уменьшение впитывающей способности древесной массы связано с миграцией смолы на поверхность волокон.

Одним из наиболее перспективных направлений расширения сырьевой базы производства массовых видов бумаги санитарно-бытового назначения (туалетной бумаги, основы для хозяйственных полотенец) является использование макулатуры. Все возрастающий интерес к использованию макулатуры связан не только с нехваткой волокнистого сырья, ростом цен, но и удешевлением за счет снижения энерго- и трудозатрат, когда не требуются повышенные гигиенические свойства.

Характеристики основных санитарно-гигиенических изделий по предъявляемым физико-механическим свойствам и применяемому сырью представлены в таблице А.1 приложения А.

1.3 Перемешивающее оборудование для приготовления композиции бумажной массы Для получения бумаги одного и того же качества необходимо поддерживать постоянными факторы, влияющие на их свойства (композицию и концентрацию массы, степень помола, проклейку, окраску, количество наполнителя и т.п.).

С целью уменьшения влияния от изменения свойств исходных полуфабрикатов на качество бумаги перед бумагоделательной машиной устанавливают машинные бассейны. В машинных бассейнах составляется композиция бумаги концентрацией от 1 до 2,5 %.

В машинных бассейнах волокна, красящие вещества и наполнители поддерживаются во взвешенном состоянии; в них поступающая из отдельных мельниц масса выравнивается по композиции, концентрации, степени помола, окраске и т.п. или обеспечивается равномерное смешение массы с вводимыми красителями, клеем и наполнителем. В бассейнах при помощи механизма для непрерывного перемешивания водной суспензии поддерживается равномерная концентрация массы, подаваемой на бумагоделательную машину, не допуская осаждения волокон, выделения проклеивающих, красящих и наполняющих веществ [18].

По типу и конструкции перемешивающего устройства мешальные бассейны можно разделить на горизонтальные и вертикальные, с лопастными и турбинными перемешивающими устройствами [14, 15, 19].

Наиболее важное значение в работе бассейна имеет тип и конструкция перемешивающего устройства, работа которого заключается в перемещении упорядоченной механической энергии вращающихся элементов в неупорядоченную тепловую энергию за счет сопротивления, создаваемого корпусом аппарата. В результате этого перемешивающее устройство осуществляет диссипацию энергии в объеме аппарата, величина которой зависит как от конструкции мешалки и характеристик привода, так и от конструкции аппарата и его внутренних устройств [20 – 27].

Общим недостатком всех типовых перемешивающих устройств, применяемых при перемешивании, является образование застойных зон в проточной полости аппарата при их работе. Наличие застойных зон отрицательно сказывается на эффективности и интенсивности перемешивания, а также приводит к повышению потребления электроэнергии при работе перешивающих бассейнов.

Важную роль играет выбор размера мешалки, гарантирующий технологический результат при наименьшем потреблении электроэнергии и требующий много времени и наличия серьезных технологий. Однако экономический результат может быть значительным. Предположим, что завод имеет одну мешалку, которая экономит 20 кВт. При стоимости электроэнергии 0,05 евро/кВт·ч, это позволяет экономить 8000 Евро ежегодно. Окупаемость такой инвестиции составляет около двух-трех лет в зависимости от ситуации. С точки зрения хорошо продуманное перемешивание может быть очень разумной инвестицией [28].

Особое внимание для перемешивания композиции различной вязкости следует уделить роторам геликоидального типа (рисунок 1.1). Применение ротора геликоидального типа в отличие от всех существующих до настоящего времени конструкций перемешивающих органов, как утверждают [2, 29 – 38], позволяет создавать и прогнозировать в рабочей полости емкостного аппарата такой характер гидродинамического движения потоков жидкости, который способствует исключению вероятности появления застойных зон статического характера. Выполнение данного условия осуществляется за счет оригинальной конструкции и формы роторов геликоидального типа, благодаря чему в проточной полости аппарата образуются радиально-осевые потоки при перемешивании жидкости, способствующие максимальному увеличению степени циркуляции, интенсификации процесса перемешивания и снижению удельных затрат электроэнергии.

1 – тело ротора; 2 – лопасть ротора Рисунок 1.1 – Ротор геликоидального типа Наряду с соосным расположением вала с перемешивающим устройством в корпусе аппарата, используют также эксцентричное его расположение. При эксцентричном расположении мешалки с вертикальным валом обе оси остаются параллельными. Образование воронки в этом случае затрудняется из-за того, что скорость, с какой жидкость ударяется о стенки, в разных точках по периметру сосуда будет различной, так как разными оказываются пути пробега жидкости от оси вращения мешалки до стенки аппарата. Неравномерное распределение скорости поддерживает турбулентность, возникающую при работе мешалки.

Для организации необходимого потока и интенсификации процесса перемешивания наиболее часто используют отражательные перегородки (рисунок 1.2). Целью установки отражательных перегородок служит изменение структуры поля скоростей – уменьшение окружной составляющей скорости при соответствующем увеличении осевой и радиальной составляющих. Преимущественно окружной характер движения перемешиваемой среды в аппаратах без внутренних устройств в ряде случаев ограничивает возможности интенсификации перемешивания вследствие образования воронки, застойных или «мертвых» зон и движения слоев перемешиваемой среды параллельно друг другу.

При перемешивании в системах жидкость – твердое тело окружное движение приводит к сепарации тяжелых твердых частиц, которые скапливаются у стенки аппарата.

Рисунок 1.2 – Схема размещения отражательных перегородок в аппарате 1 – корпус; 2 – отражательная перегородка.

Отражательные перегородки закрепляют у стенок аппарата или устанавливают в потоке перемешиваемой жидкости. При наличии перегородок, установленных в потоке, значительно улучшаются условия течения жидкости. В центре потока за перегородкой образуется местный вихрь, вследствие чего общее вихревое движение за отражательной перегородкой способствует образованию эффективной турбулентности. Схема линий тока в этом случае подобна так называемой вихревой дорожке Кармана (рисунок 1.3). Однако на практике по конструктивным соображениям применяют преимущественно перегородки у стенок, так как их легче закрепить, и они лучше сопротивляются ударам твердого кускового материала, загружаемого в аппарат.

Рисунок 1.3 – Образование вихревых дорожек Кармана за перегородкой, установленной у стенки (а) и в жидкости (б) При проектировании необходимо правильно определить размер перегородок так, чтобы местные вихри, возникающие за ними, поддерживали турбулентность потока, т. е. чтобы перегородки вызывали, возможно, большее подсасывание. При неправильно выбранных размерах перегородок могут возникать застойные зоны, местные завихрения, совершенно не влияющие на перемешивание всего объема и повышенное гидравлическое сопротивление, оказывающее отрицательное влияние на потреблении электроэнергии. Обычно отражательные перегородки представляют собой плоские пластины шириной около 0,1 диаметра аппарата, установленные симметрично на некотором расстоянии от стенки корпуса (0,2 ширины перегородки) (рисунок 1.4) [39].

Другими мерами, препятствующими образованию воронки, являются эксцентрическая установка мешалки или наклон вала мешалки к оси сосуда, а также применение направляющей трубы.

Направляющие трубы (диффузоры) служат для создания в аппарате преимущественной меридиональной циркуляции. Однако, в аппаратах обычной конструкции применение направляющих труб, как правило, не целесообразно, поскольку оно приводит к существенному усложнению конструкции без повышения интенсивности перемешивания.

а, б – с прямыми лопатками; в – с изогнутыми лопатками; г – веслообразный отражатель.

Рисунок 1.4 – Схема отражателей Значительное разнообразие конструкций корпусов и перемешивающих устройств говорит о том, что до сих пор осуществляется поиск наиболее оптимального оборудования для интенсификации процессов перемешивания и гомогенизации вязких пластичных масс, так как это может привести к увеличению производительности и повышению качества конечного продукта при снижении удельного энергопотребления на его изготовление.

Поэтому стремление повысить качество процесса перемешивания за счет снижения или исключения образования мертвых зон и повышения числа местных завихрений при снижении потребляемой электроэнергии является на сегодняшний день наиболее актуальным. Этого можно достичь путем изменения формы корпусной части перемешивающих аппаратов и его внутренних неподвижных устройств.

Далее рассмотрим основные теоретические представления процесса перемешивания в емкостных аппаратах, с целью определения влияния различной конструкции аппаратов на гидродинамику при перемешивании.

1.4 Основные теоретические и экспериментальные представления процесса перемешивания Исследованию распределения скорости жидкости в аппаратах с мешалками посвящено много теоретических и экспериментальных работ [39 – 52]. Ввиду сложного характера течения жидкости в таких аппаратах авторам удалось получить математическое описание распределение скорости только для некоторых простых случаев. В большинстве же случаев приходилось ограничиваться графическим изображением экспериментальных данных. Такие исследования относятся главным образом к вертикальным цилиндрическим аппаратам с мешалками, расположенными на оси аппарата. Поэтому для математического описания перемешивания чаще всего используется цилиндрическая система координат (r,, z).

Результирующую скорость W жидкости в любой точке аппарата можно разложить в такой системе координат на три составляющие – радиальную составляющую Wr, осевую составляющую Wz и тангенциальную составляющую Wt (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема разложения суммарной скорости жидкости в аппарате с мешалкой на составляющие скорости По многочисленным экспериментальным данным [44 – 47] следует, что в цилиндрических аппаратах без неподвижных внутренних устройств поле скоростей в гладкостенных аппаратах характеризуется тем, что Wt > Wr и Wt > Wz (рисунок 1.6) [41]. Поэтому в рабочем пространстве преимущественно имеет место окружной поток, в результате которого плоская поверхность жидкости, обозначенная при n = 0 буквой П, при n > 0 изменяется из-за образования воронки с профилем поверхности П1. Максимальное повышение уровня у стенки аппарата обозначено через h2; понижение уровня жидкости в центре воронки – через h1 [53]. Сплошными линиями показаны траектории частиц жидкости, имеющих равные скорости.

Изменение окружной скорости по радиусу r чаще всего описывают на основе модели «комбинированного вихря» (рисунок 1.7) [39, 44 – 47]. Объем жидкости при использовании этой модели представляет совокупность объема вихревой зоны I, в котором угловая скорость жидкости постоянна и не изменяется по радиусу, и объема зоны постоянного течения II, для которой характерно изменение скорости обратно пропорционально радиусу. Для устранения разрыва непрерывности профиля модель дополняют третьей зоной – промежуточной, которая расположена в области максимума скорости. Качественно эта модель вполне согласуется с экспериментальными данными.

Рисунок 1.6 – Схема движения потоков жидкости в гладкостенном аппарате с быстроходной мешалкой (правая часть рисунка) и расчетный характер изменения окружной и радиальной скоростей жидкости (левая часть рисунка) 1 – вихревая зона; 2 – зона потенциального течения.

Рисунок 1.7 – Схема модели «комбинированного вихря»

При преобладании окружной составляющей скорости жидкости в аппаратах с мешалками наблюдается образование центральной воронки, сопровождающееся подъемом жидкости у стенки аппарата (рисунок 1.8). Если угловая скорость перемешиваемой среды высока, глубина воронки становится сопоставимой с глубиной установки мешалки или даже превышать ее. Движение жидкости при наличии воронки характеризуется особой сложностью, а процесс перемешивания имеет ряд недостатков:

1) Данные, полученные в этих условиях трудно перенести на другие системы.

2) Эффективная емкость аппарата уменьшается соответственно увеличению глубины воронки.

3) Скорость жидкости определяется скоростью кругового движения всего содержимого и поэтому градиент скорости будет минимальным.

4) Неравномерное распределение относительных скоростей, необходимое для получения турбулентности, будет минимальным.

5) Коэффициент полезного действия мешалки при суспендировании, диспергировании и гомогенизации значительно уменьшается.

H – высота заполнения аппарата, м; HR – высота уровня жидкости у стенки аппарата, м; HВ – глубина воронки, м; hм – высота размещения мешалки над днищем аппарат, м; h (r) – вертикальная координата поверхности воронки на радиусе r, отсчитываемая от нижней точки воронки, м; r – радиус воронки, м.

Рисунок 1.8 – Центральная воронка в аппарате с турбинной мешалкой Как следует из этих заключений, по величине объемного коэффициента полезного действия наиболее выгодны цилиндрические сосуды, с установленными в них неподвижными внутренними устройствами (отражательные перегородки, трубы переваливания, отражатели и т.д.), в которых при перемешивании не образуется воронка [42]. Одновременно с этим происходит увеличение радиальной и осевой составляющей скорости.

В аппаратах с отражательными перегородками, обладающими весьма высоким сопротивлением, все пространственные составляющие скорости оказываются близкими по величине, а меридиональная циркуляция становится важнейшим элементом гидродинамической обстановки. Одной из наиболее существенных особенностей потока в этих условиях является визуально наблюдаемая нестационарность поля скоростей, периодическое возникновение и затухание крупных вихрей [40].

Измерения отдельных составляющих скорости потока в аппаратах с перегородками осуществлялись в ряде работ, приведенных в [40]. Известны также попытки теоретического исследования этого случая течения. Однако достаточно полное описание поля скоростей, даже в форме эмпирических зависимостей, пока не получено из-за большой сложности картины течения, и единственно реальным в настоящее время представляется качественное описание характера распределения скоростей на основе упрощенных моделей. В частности, оценка характера распределения осевой составляющей скорости по радиусу аппарата при размещении мешалки вблизи днища может быть сделана на основе следующих допущений: 1) влияние окружного потока на профиль скорости осевого течения пренебрежимо мало; 2) поворот осевого потока в радиальном направлении от центра к периферии происходит в основном вблизи плоскости мешалки, обратный поворот (от периферии к центру) – в непосредственной близости от поверхности жидкости и, следовательно, осевая составляющая скорости сохраняется постоянной по высоте (рисунок 1.9).

На рисунке 1.9 показано поле меридиональных скоростей полученной [50], представляющее собой линии E=const, при этом E~Wz/(ndм).

На этом рисунке показано изменение профиля радиальных скоростей Wr, а также идеализированный профиль меридиональных скоростей Wz=f(r). Поле скоростей такого типа имеет место в аппаратах, оборудованных отражательными перегородками, геометрические размеры которых выбраны в пределах, определенным неравенством где bвн – суммарная ширина всех внутренних устройств, установленных в корпусе аппарата с внутренним диаметром D.

Рисунок 1.9 – Схема циркуляции потока жидкости в емкостной полости перемешивающего аппарата Неравенство (1.4) для случая четырех отражательных перегородок шириной bп идентично равенству (bп/D) 0,1, которое обычно используется при конструировании корпусов аппаратов с четырьмя отражательными перегородками.

Из рисунка 1.10 видно, что с увеличением значений меридиональной составляющей скорости увеличивается циркуляция потока жидкости, а значит и интенсивность ее перемешивания.

Также проводились исследования по увеличению радиально – осевой составляющей абсолютной скорости за счет изменения самой конструкции корпуса перемешивающего аппарата путем выполнения его из двух разъемных профилированных частей (верхняя часть представляет тело вращения с образующей в виде дуги, и сопрягаемая с ней симметрично нижняя часть - в виде параболоида вращения) [29 - 32, 54, 55]. Как заявляют авторы, основываясь на полученных результатах экспериментальных исследований [2, 29, 33], данная конструкция аппарата благодаря уменьшению сил трения за счет исключения или существенного снижения эффекта отрывности потока от корпуса аппарата позволяет значительно повысить степень циркуляции потока рабочей жидкости и интенсифицировать технологический процесс получения готового продукта.

Рисунок 1.10 – Структура потоков в аппарате с отражательными перегородками (правая часть рисунка) и модель этой структуры Wz=f(r) (левая часть рисунка) 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 вязкопластичное 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].

1 – лиственная; 2 – небеленая сульфитная; 3 – ТМР; 4-беленая сульфатная хвойная; 5-небеленая сульфатная хвойная.

Рисунок 1.11 – Требуемые мощности для различных типов целлюлозы при разной концентрации 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, 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.

Рисунок 1.12 – Влияние температуры бумажной массы на потребление электроэнергии «Время оборота» массы в баке также влияет на потребление энергии, если равномерность концентрации массы на выходе имеет большое значение. Очень малое время оборота требует достаточно интенсивного перемешивания и большого расхода энергии. Слишком продолжительное время оборота означает, что энергия затрачивается на перемешивание без должного конечного эффекта.

Оптимальное время оборота составляет около 15 минут (рисунок 1.13) [28].

Рисунок 1.13 – Влияние времени оборота массы в баке на потребление электроэнергии Все эти данные очень важны для правильного выбора параметров мешалки. Очень маленькая мешалка ведет к технологическим проблемам. Слишком большая мешалка неэкономно расходует электроэнергию.

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).

Рисунок 1.14 – Схема движения целлюлозной массы в резервуаре 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.

Рисунок 1.15 – Схема очень хорошего перемешивания целлюлозной массы Хорошее перемешивание означает, что около 60 % перемешиваемого объема является активным (рисунок 1.16). Обычно это баки хранения массы, массные бассейны и бассейны с большим «временем оборота» (>15 минут). Риск застоя массы не существует. Лучшие результаты достигаются, когда объем резервуара спроектирован таким образом, чтобы высота жидкости составляла 1, – 1,3 от его диаметра. Снижение уровня жидкости ведет к тому, что весь объем будет активен. Снижение требований к перемешиванию жидкости в верхней части объема, уменьшит потребление электроэнергии.

Рисунок 1.16 – Схема хорошего перемешивания целлюлозной массы Для режима «чистого дна» величина активного объема рассчитана, чтобы не допускать отложения осадка на дне бака и масса могла легко откачиваться (рисунок 1.17). В отличие от хорошего перемешивания, в этом случае отсутствуют ограничения по высоте уровня жидкости, потому что перешивание в верхней части резервуара не происходит. Такая низкая интенсивность перемешивания приемлема, если изменение однородности массы во время хранения в не перемешиваемом объеме допустимо на следующем этапе процесса.

Рисунок 1.17 – Схема режима «чистого» дна Для низкоактивного равномерного перемешивания необходимы мешалки с большим диаметром работы колеса, чтобы приложенная мощность распределялась на большую часть объема (рисунок 1.18).

Рисунок 1.18 – Схема низкоактивного равномерного перемешивания Цель этого процесса - сохранение однородности бумажной массы и поддержание определенной смеси жидкого объема в не турбулентном состоянии.

Лучшие результаты достигаются, когда объем резервуара спроектирован таким образом, чтобы высота жидкости составляла от 1,5 до 3,0 от его диаметра, при использовании трех-четырех рабочих колес. Затрачиваемая мощность при этом может составлять всего около 0,02 кВт/м2 [28].

При анализе вышесказанного следует, что для интенсификации степени перемешивания и повышения гомогенизации многофазных систем необходимо вести исследования по разработке аппаратов с профилированными элементами корпуса с установленными во внутренней полости вертикальными отражательными планками. В качестве перемешивающего органа использовать ротор геликоидального типа.

Выводы по первой главе:

Анализ существующих конструкций аппаратов с мешалками для подготовки бумажной массы различного композиционного состава, их гидродинамических характеристик и экспериментальных методов исследования показывает что:

1 Наблюдаемая на сегодняшний день тенденция развития рынка СГИ вызывает необходимость производителей все большее внимание уделять вопросам качества выпускаемой продукции, поиска путей сокращения производственных и иных издержек.

2 Требуемые физико-механические свойства санитарно-гигиенических и бытовых видов изделий определяются различным сочетанием волокнистого сырья при составлении композиции бумажной массы.

3 Увеличение степени интенсификации процесса перемешивания достигается в основном за счет изменения конструкции мешалки, характеристик привода, а также изменения конструкции аппарата и его внутренних устройств.

4 Существующие конструкции перемешивающих аппаратов не обеспечивают достижение необходимой степени перемешивания при получении качественного продукта из-за преобладания окружной составляющей скорости потока жидкости в аппаратах.

5 Из всего многообразия перемешивающего оборудования наиболее предпочтительным для перемешивания жидких сред различной вязкости являются вертикальные аппараты с роторами геликоидального типа.

1.6 Постановка задач исследования В соответствии с выше изложенным целью работы является разработка перемешивающего оборудования с профилированными элементами корпуса, обеспечивающего снижение энергопотребления при получении санитарногигиенических изделий.

Отсюда, задачами исследования являются:

1 Выполнить теоретические исследования посредством численного моделирования движения потоков жидкости в проточной полости цилиндрических корпусных перемешивающих аппаратов с использованием роторов геликоидального типа.

2 Разработать методику построения профилей корпусных элементов аппаратов с роторами геликоидального типа, обеспечивающих минимизацию энергопотребления при проведении процессов перемешивания.

3 Выполнить экспериментальные исследования по определению гидродинамических характеристик аппарата профилированной формы.

4 Оценить степень снижения потребления электроэнергии при работе аппарата профилированной формы.

5 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.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОФИЛИРОВАНИЯ КОРПУСНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО АППАРАТА

Для теоретического изучения гидродинамической картины в перемешивающем аппарате использованы современные методы исследования, основанные на компьютерном моделировании. Такие исследования позволяют совершить полный кинетический анализ движения рассматриваемого объекта – рабочей жидкости с определением значений не только абсолютной скорости, но и всех ее составляющих – окружной, радиальной и вертикальной, а также графически показать траектории движения потоков жидкости в проточной полости аппарата.

2.1 Исследование гидродинамики процесса перемешивания в аппарате цилиндрической конструкции посредством компьютерного моделирования Интенсификация тепло - и массообменных процессов на стадии перемешивания является одной из наиболее масштабных, энергоемких и дорогостоящих операций. В этой связи, актуальным и важным направлением в научном поиске, позволяющим существенно снизить энергозатраты на перемешивание, является как модернизация существующих, так и разработка принципиально новых конструкций аппаратов и методов их инженерного расчета [56].

В данный момент достижение этих целей является достаточно трудно осуществимой задачей из-за недостаточных теоретических и практических знаний о процессе перемешивания. Для выполнения этой трудно разрешимой задачи в настоящий момент делаются попытки применения различных методов исследования, один из них, является компьютерное моделирование.

Компьютерное моделирование, в частности имитационное моделирование, позволяет решать задачи значительной сложности, обеспечивая имитацию любых многообразных процессов с большим количеством элементов. В таких процессах отдельные функциональные зависимости, как правило, могут описываться весьма громоздкими математическими выражениями, практическое использование которых предполагает обязательную необходимость упрощения, связанную с дополнительным использованием эмпирически полученных зависимостей.

В то же время, имитационное моделирование эффективно может быть использовано в научных исследованиях именно систем со сложной структурой с целью получения решения конкретно обозначенных проблем [57].

Имитационное моделирование в области гидродинамики позволяет выполнять программа Solid Works с приложением Flow Simulation [58, 59].

В данном приложении движение текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье – Стокса (выражение (2.1)) [60 – 67], описывающих в стационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Также используются уравнения состояния компонентов текучей среды (вязкость, теплопроводность). Кроме того, неньютоновские жидкости задаются зависимостью их коэффициента вязкости от скорости сдвиговых деформаций и температуры; сжимаемые жидкости задаются зависимостью их плотности от давления. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения (между ламинарными и турбулентными, переход определяется критическим значением числа Рейнольдса).

Данная программа была использована при теоретическом исследовании гидродинамической картины в аппарате цилиндрической конструкции с целью определения его функциональной эффективности работы.

Условия проведения компьютерного моделирования следующие:

- длительность процесса - 60 секунд;

- проектная текучая среда – вода;

- характеристика внутреннего состояния жидкости – кавитация;

- шероховатость стенок корпуса аппарата - 0,63 мкм;

- термодинамические параметры: P=1013250 Pa, T=293,2 K;

- уровень решения расчетной ячейки – 2.

Уровень решения влияет на уровень начальной сетки и критерии сходимости задачи, а значит, и на точность решения задачи. Чем мельче расчетная сетка, тем точнее моделируется задача, и тем ближе ее дискретное решение к реальному непрерывному распределению, но для этого требуется много оперативной памяти и процессорного времени. Поэтому задание параметров, влияющих на расчетную сетку и критерии сходимости, — это всегда компромисс между желаемой точностью и имеющимися ресурсами компьютера.

- Исследуемые физические величины: максимальная, средняя и минимальная (линейные) скорости.

Частота вращения перемешивающего органа задавалась последовательно в соответствии со следующим цифровым рядом: 100, 200, 300, 400, об/мин. В качестве перемешивающего органа использовался ротор геликоидального типа. Вертикальные отражательные планки устанавливались без зазора со стенкой корпуса аппарата (рисунок 2.1).

1 – цилиндрический корпус; 2 – отражательная планка; 3 – ротор геликоидального типа Рисунок 2.1 – Аппарат цилиндрической конструкции с ротором геликоидального типа и вертикальными отражательными планками При анализе полученных данных установлено, что цилиндрическая конструкция корпуса аппарата, как и предполагалось, позволяет исключить эффект образования центральной воронки благодаря вертикальным отражательным планкам, но при этом они создают застойные («мертвые») зоны и большие гидравлические потери при движении жидкости, что отрицательно сказывается на качестве перемешивания и увеличении энергопотребления.

Кроме того, в рабочей полости аппарата были обнаружены застойные зоны динамического характера, в которых абсолютная скорость потока, как видно из рисунка 2.2, близка к нулевому значению. Динамические застойные зоны в отличие от зон стационарного типа располагаются не в пристенной зоне, а во внутренней полости, что усложняет возможность снижения их отрицательного эффекта и требует особого подхода в решении данной проблемы.

Наличие динамических застойных зон указывает на то, что ротор геликоидального типа при установке в аппарат цилиндрической конструкции не в полной мере справляется с задачей по управлению потоками рабочей жидкости. Поэтому возникает необходимость коррекции при конструировании корпуса цилиндрического аппарата таким образом, чтобы поток, сходя с ротора, двигался по замкнутому контуру снизу вверх и затем сверху вниз, попадая снова в ротор. При этом траектория движения потока все время должна быть ограничена корпусными элементами аппарата для предотвращения возникновения свободного движения и, таким образом, изолирована от соприкосновения с внешней окружающей средой со всех сторон, т.е. поток во всех его составляющих элементах должен быть заключен во внутренней полости аппарата в полном объеме и находится постоянно под контролем, для того чтобы можно было бы прогнозировать и управлять его движением.

Для определения окружных и осевых скоростей полость аппарата была разбита по высоте на шесть сечений (рисунок 2.3).

а) n = 100 об/мин; б) n = 200 об/мин; в) n = 300 об/мин; г) n = 400 об/мин;

д) n = 500 об/мин Рисунок 2.2 – Траектории движения жидкости в рабочей полости аппарата цилиндрической конструкции 1 – 1; 2 – 2; 3 – 3; 4 – 4; 5 – 5; 6 – 6 – сечения по высоте аппарата Рисунок 2.3 - Схема расположения сечений по высоте аппарата цилиндрической конструкции Для каждого сечения было выполнено построение графических зависимостей скоростей в полости аппарата. Ниже приведены графики окружных и осевых скоростей движения жидкости при частоте вращения перемешивающего органа 100 и 500 об/мин (рисунок 2.4). Остальные графики скоростей для аппарата стандартной конструкции приведены в приложении Б.

Анализ графиков показывает, что окружная скорость постепенно повышается с увеличением частоты вращения ротора до 500 об/мин на всех сечениях аппарата. Это связано с тем, что с увеличением частоты вращения увеличивается передача энергии потоку жидкости от ротора.

Значения осевых скоростей с увеличением частоты вращения ротора от 100 до 500 об/мин также растут по высоте аппарата. При этом с повышением частоты вращения ротора в 5 раз происходит увеличение осевой скорости примерно в 2 – 4 раза в зависимости от рассматриваемого сечения аппарата.

Это объясняется тем, что наличие вертикальных планок у стенок аппарата способствует преобразованию тангенциальных скоростей движущегося потока жидкости в меридиональные скорости (преобразование окружных скоростей в осевые скорости).

а) окружная составляющая скорости при 100 об/мин; б) меридиональная составляющая скорости при 100 об/мин; в) окружная составляющая скорости при 500 об/мин; г) меридиональная составляющая скорости при 500 об/мин.

1 – 1; 2 – 2; 3 – 3; 4 – 4; 5 – 5; 6 – 6 – сечения по высоте аппарата Рисунок 2.4– График скорости движения жидкости в зависимости от радиуса аппарата при частоте вращения перемешивающего органа n = 100 об/мин и n = 500 об/мин Полученная абсолютная скорость движения жидкости при разных частотах вращения ротора представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Абсолютная скорость движения жидкости при разных частотах вращения ротора Мин. скорость, м/с Средняя скорость, м/с Мак. скорость, м/с Кроме этого были построены графики зависимостей окружной и осевой составляющей скорости от рассматриваемого сечения аппарата (рисунок 2.5).

а) окружная составляющая абсолютной скорости; б) осевая составляющая абсолютной скорости.

а) n = 100 об/мин; б) n = 200 об/мин; в) n = 300 об/мин; г) n = 400 об/мин;

д) n = 500 об/мин.

Рисунок 2.5 – Зависимость скорости движения жидкости от рассматриваемого сечения аппарата 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.

где n - частота вращения ротора, об/мин;

R - радиус рассматриваемого сечения в аппарате, м;

H - высота рассматриваемого сечения в аппарате, м.

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 – 1 сечение; 2 – 2 сечение; 3 – 3 сечение; 4 – 4 сечение; 5 – 5 сечение;

6 – 6 сечение Рисунок 2.6 – Схема построения изолинии по максимумам полученных кривых Безотрывное движение потока рабочей жидкости происходит при углах атаки близких к 15° для волокнистых суспензий [60, 72]. Основываясь на этом, было выполнено построение линии сопряжения, которая представляет собой совокупность точек приложения векторов абсолютной скорости.

Так, например, для нижней части корпуса оно осуществлялось следующим образом (рисунок 2.7).

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 изменением направления угла атаки на величину максимального его значения равного 15° для волокнистых суспензий, что способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей.

Рисунок 2.7 – Построение линии сопряжения в нижней части аппарата цилиндрической конструкции Таким же образом было выполнено построение сопряжения в верхней части корпуса аппарата (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Построение линии сопряжения в верхней части аппарата цилиндрической конструкции В результате таких построений наиболее оптимальным вариантом выполнения данных сопряжений является в первом приближении фрагмент параболы вида х2=2Ру, в достаточной степени удачно заканчивающей конструктивное исполнение нижней и верхней части аппарата [73,74].

В итоге получаем аппарат с профилированными элементами корпуса, показанном на рисунке 2.9.

1 – профилированный корпус; 2 – отражательная планка; 3 – ротор геликоидального типа Рисунок 2.9 – Аппарат профилированного корпуса с ротором геликоидального типа Дальнейшее исследование было проведено на компьютерной модели аппарата профилированного сечения. Для данного корпуса также были получены траектории движения потока жидкости (рисунок 2.10).

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.

а – окружная составляющая скорости при 100 об/мин; б – меридиональная составляющая скорости при 100 об/мин; в – окружная составляющая скорости при 500 об/мин; г – меридиональная составляющая скорости при 500 об/мин;

1 – 1; 2 – 2; 3 – 3; 4 – 4; 5 – 5; 6 – 6 – сечения по высоте аппарата Рисунок 2.11 – График скорости движения жидкости в зависимости от радиуса аппарата при частоте вращения перемешивающего органа n = 100 об/мин и n = 500 об/мин а) – окружная составляющая абсолютной скорости; б) осевая составляющая абсолютной скорости.

1 – n = 100 об/мин; 2 – n = 200 об/мин; 3 – n = 300 об/мин; 4 – n = 400 об/мин; 5 – n = 500 об/мин.

Рисунок 2.12 – Зависимость скорости движения жидкости от рассматриваемого сечения аппарата профилированной формы Анализируя кривые на графиках, можно утверждать, что аппарат профилированной формы значительно снижает эффект образования окружных скоростей (до 80% при n=300 об/мин).

Полученные 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 имеют следующий вид где n - частота вращения ротора, об/мин;

R - радиус рассматриваемого сечения в аппарате, м;

H - высота рассматриваемого сечения в аппарате, м.

Таблица 2.2 – Абсолютная скорость движения жидкости при разной частоте вращения ротора Скорость 100 об/мин 200 об/мин 300 об/мин 400 об/мин 500 об/мин Мин. скорость, м/с Средняя Мак. скорость, м/с В целом абсолютная скорость в профилированном корпусе по сравнению с цилиндрическим корпусом выросла. При этом наиболее высокий прирост в скорости наблюдается при частоте вращения n=100 об/мин и составляет около 20%.

Из полученных результатов следует, что профилированный корпус позволяет повысить качество перемешивания суспензий даже при малых числах частоты вращения ротора за счет равномерного распределения концентрации по всему объему аппарата и максимального увеличения степени циркуляции рабочей жидкости в проточной полости емкостного аппарата. При этом в рабочей полости аппарата практически будут отсутствовать застойные зоны, что положительно отразиться на повышении коэффициента полезного действия и работе аппарата в целом [68, 69].

Полученные математические модели позволяют определять значения абсолютной, тангенциальной, радиальной и аксиальной скорости, на основе которых выполняются построения эпюр скоростей. Наличие эпюр скоростей создаёт потенциальную возможность выполнения качественного анализа и количественной оценки гидродинамики потоков рабочей жидкости в различных областях проточной полости исследуемого аппарата.

2.2 Построение физической модели движения жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы Для последующего построения математической модели выполняется построение физической модели движения рабочей жидкости. Перемешивающий аппарат рассматривается как гидромашина, обеспечивающая замкнутую циркуляцию. Кроме того, на основании теоретических исследований выполненных в параграфе 2.1, предусмотрена установка в верхней части аппарата устройства – направляющей вставки, которая, как предполагается, должна способствовать организации движения потока таким образом, чтобы максимально сократить траекторию его движения и повысить степень циркуляции.

Совместное использование профилированного корпуса емкостного аппарата с перемешивающим ротором геликоидального типа позволяет создать в проточной полости аппарата безотрывную циркуляцию потока жидкости по траектории: ротор нижняя вставка в виде параболоида дугообразный корпус верхняя вставка в виде параболоида направляющая вставка ротор.

Предполагая наличие жидкостной стенки 1, поток разбиваем на пять участков, образующих замкнутый круг циркуляции (рисунок 2.13): I участок – зона ротора геликоидального типа. Здесь поток получает энергию от ротора и начинает движение по кругу циркуляции. II участок – от выходных частей лопастей ротора до входа в вертикальные отражательные планки. Этот участок может характеризоваться сильно развитой диффузорностью и наибольшей первоначальной энергией потока, III участок – от вертикальных отражательных планок до верхней отметки z0 уровня жидкости в полости аппарата.

III участок также характеризуется развитыми диффузорными гидравлическими потерями и потерями на удар. II и III участки образуют зону восходящего потока. IV участок проходит от верхней отметки уровня жидкости до нижней части лопаток направляющей вставки. На этом участке имеют место потери на удар, а также на жидкость начинают действовать силы тяжести и засасывающий эффект от действия ротора. V участок – от нижней части лопаток направляющей вставки до входных кромок лопастей ротора. Здесь жидкость под действием остаточного напора, силы тяжести и засасывающего действия ротора устремляется снова к ротору, и круг циркуляции замыкается.

IV и V участок образуют зону нисходящего потока.

Поток жидкости, сходя с ротора, поступает во внутреннюю полость аппарата под углом атаки равной практически нескольким градусам, что не оказывает существенного отрицательного воздействия на безотрывное движение потока снизу вверх и способствует минимизации нахождения потока в области сопрягаемых поверхностей. В верхней части аппарата при движении потока сверху вниз происходит корректировка движущегося потока с помощью направляющего устройства, позволяющего сориентировать поток и направить его прямо на входные кромки лопастей ротора геликоидального типа.

Такое движение позволяет снизить гидропотери, которые возникают по траектории движения потоков жидкости в проточной полости емкостного аппарата и интенсифицировать кратность циркуляции рабочей жидкости, в результате получить гомогенную структуру и снизить потребление электроэнергии на осуществление процесса перемешивания.

Выводы по второй главе:

1 Проведенный анализ результатов компьютерного исследования гидродинамики движения потоков жидкости в проточной полости перемешивающего аппарата цилиндрической конструкции выявил во внутренней полости аппарата наличие застойных зон динамического характера, оказывающих отрицательное влияние на качество перемешивания.

2 На основании результатов теоретических исследований разработан принципиально новый перемешивающий аппарат профилированной формы, обеспечивающий максимальное снижение влияния объема застойных зон динамического характера, увеличение степени циркуляции рабочей жидкости в проточной полости и повышение КПД емкостного аппарата.

3 Разработана физическая модель движения рабочей жидкости в проточной полости аппарата профилированной формы, позволяющая выполнить математическое описание процесса для кинематической оценки движения потока с последующим построением эпюр скоростей для оценки эффективности процесса перемешивания.

ГЛАВА 3 МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для подтверждения теоретических выводов второй главы диссертации возникает необходимость проведения комплексных экспериментальных исследований в несколько этапов с целью изучения влияния конструктивных и технологических параметров принципиально нового емкостного аппарата профилированного корпуса с ротором геликоидального типа на процесс перемешивания.

Для этого экспериментальные исследования предусматривали определение:

1 Гидродинамики рабочей жидкости в перемешивающих аппаратах различной конструкции.

2 Физико-механических и гидрофильных свойств санитарно - гигиенической бумаги.

3 Энергопотребления при работе перемешивающих аппаратах различной конструкции.

В соответствии с вышестоящими задачами экспериментальная часть исследований была разделена на три основных этапа. Первый этап включал в себя исследование гидродинамики с помощью зондирования проточной полости аппарата с применением измерительно-вычислительного комплекса (ИВК); второй этап - исследование физико-механических свойств полученной санитарно-гигиенической бумаги; третий этап – исследование энергопотребления при работе аппарата.

Для реализации поставленных задач проведение экспериментальных исследований планировалось в перемешивающих аппаратах как с цилиндрическим, так и профилированным корпусом. Практически были спроектированы и изготовлены лабораторные перемешивающие аппараты с цилиндрическим и профилированным корпусом.

В качестве перемешивающего органа использовался ротор геликоидального типа с углом закрутки линии лопасти 270° (РГТ-270) [35] (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Ротор геликоидального типа Исследования проводились в Сибирском государственном технологическом университете на кафедре «Технологии конструкционных материалов и машиностроения» и в учебно-научной лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий».

Описание конструкции перемешивающих аппаратов и методики проведения экспериментов приведены ниже.

3.1 Методика исследования гидродинамики в проточной полости перемешивающих аппаратов различной конструкции 3.1.1 Описание установки Исследование гидродинамики рабочей жидкости в аппарате проводилось с применением метода зондирования. Для этого была собрана лабораторная установка, включающая в себя перемешивающий аппарат и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), предложенный в работе [35, 60, 75Принципиальная схема установки представлена на рисунке 3.2.

Лабораторная установка состоит из аппарата цилиндрической формы 1.

Корпус аппарата изготовлен из прозрачного материала (оргстекло), позволяющего проводить наблюдения и фиксировать процессы, происходящие внутри. Высота аппарата составляет 250 мм, диаметр – 220 мм. В качестве перемешивающего органа применяется ротор геликоидального типа (РГТ-270) 2.

С помощью электродвигателя 3 ротор приводился в движение. Электродвигатель обладает возможностью плавного регулированиям частоты вращения вала, которая контролировалась с помощью ручного бесконтактного оптического тахометра АКИП-9201. Для ориентации потока жидкости в вертикальной плоскости на стенке корпуса аппарата диаметрально противоположно установлены четыре вертикальные отражательные планки 4. Для ввода зонда 5 в рабочую полость аппарата на стенке корпуса аппарата по высоте были выполнены отверстия на равном расстоянии друг от друга.

1 – перемешивающий аппарат; 2 – ротор геликоидального типа; 3 – электродвигатель; 4 – вертикальные отражательные планки; 5 – шаровой зонд; 6 – контрольно – измерительный стенд с датчиками давления; 7 – ЭВМ;

8 – пятиходовой распределитель (коллектор).

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема лабораторной установки После проведения исследований на аппарате цилиндрической формы он снимался и на его место устанавливался аппарат с профилированной формой корпуса.

Аппарат профилированной формы имеет металлический корпус высотой 250 мм и диаметром 220мм. В нем также выполнены отверстия для ввода зонда, установлены четыре вертикальные отражательные планки, в качестве перемешивающего органа применялся РГТ-270.

Измерительно-вычислительный комплекс включает в себя датчики абсолютного и дифференциального давления (АИР -10 ДА и АИР – 10 ДД) 6, служащие для регистрации скоростей потока жидкости в проточной полости исследуемых аппаратов, шарового зонда (рисунок 3.3) и ЭВМ 7. Сигнал от датчиков поступает на ЭВМ и отображается в онлайн - режиме в цифровом виде с помощью специальной компьютерной программы с возможностью накопления получаемых данных для последующей обработки. Технические характеристики датчиков давления представлены в таблице 3.1.

Рисунок 3.3 – Шаровой зонд Таблица 3.1- Технические характеристики датчиков давления АИР-10 ДД (дифференциальное давление) 0…10 кПА 0,5% АИР-10 ДД (дифференциальное давление) 0…40 кПА 0,5% Датчик давления работает следующим образом. АИР-10 состоит из первичного преобразователя (сенсора) и электрического устройства. Жидкая среда под давлением подается в камеру первичного преобразователя и воздействует на его мембрану, что приводит к изменению электрического сопротивления расположенных на ней тензорезисторов, включенных в электрическую цепь делителя напряжения, в результате чего первичный преобразователь выдает сигнал напряжения. Электронное устройство преобразует электрический сигнал в цифровой код значения измеряемого давления, который затем трансформируется в унифицированный токовый выходной сигнал.

Конструктивно АИР-10 состоит из стального цилиндрического корпуса, в котором размещены модули сенсора и электронного устройства. С одного торца ввинчен штуцер с тензопреобразователем, на другом конце корпуса установлена герметичная вилка для подключения к токовой петле 4..20 мА.

Вилка устанавливается через резиновое уплотнительное кольцо и закрепляется пластмассовой гайкой, которая навинчивается на внешнюю резьбу корпуса.