CC BY
38
676:532.137
А. С. Смолин, Ю. А. Тотухов, Д. Р. Оруджов, А. В. Канарский
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ БЕЛЕНОЙ ХВОЙНОЙ И ЛИСТВЕННОЙ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Ключевые слова: целлюлоза, лиственная, хвойная, суспензия, напряжение сдвига, прочность.
На ротационном вискозиметре определены реологические свойства волокнистых суспензий из хвойной и лиственной беленых видов целлюлозы. Показано, что прочность волокнистой суспензии, выраженная через напряжение сдвига, как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы зависит от концентрации степени помола целлюлозы. Установлено, что прочность волокнистой суспензии хвойной целлюлозы выше, чем волокнистой суспензии из лиственной целлюлозы.
Tags: pulp, hardwood, softwood, suspension, shear stress resistanc.
In the rotary viscometer specified rheological properties of fiber suspensions of bleached softwood and hardwood pulps. It is shown that the strength of the pulp slurry, expressed in terms of shear stress for both hardwood and softwood pulp depends on the concentration degree of freeness. It is found that the strength of the fiber suspension softwood pulp is higher than the fiber suspension of hardwood pulp.
Введение
Требование интенсификации производственных процессов, оптимизации работы и повышения производительности бумагоделательного оборудования, а также повышения качества вырабатываемой бумаги при одновременном снижении массы 1 м2в значительной мере определяются эффективностью процессов отлива и формования бумаги [1-4]. В основу расчета напускных и формующих устройств бумагоделательных машин должен быть положен комплексный подход, учитывающий особенности реологических характеристик бумажных масс, взаимосвязь и взаимное влияние диспергирующих и обезвоживающих возможностей конструктивных элементов начальной зоны формования. Конструктивные элементы формующих устройств, расположенные в зоне отлива и формования, наряду с функцией обезвоживания выполняют функцию поддержания в потоке бумажной массы пульсаций давления, предотвращая возможность флокуляции волокон и обеспечивая их равномерное распределение в структуре полотна бумаги. Условия оптимизации непрерывного процесса формования с целью получения бумажного полотна однородной структуры стребуемыми физико-механическими и оптическими свойствами во многом определяются условиями движения бумажной массы в напускном устройстве и начальной зоне формования полотна бумаги.
Прочность внутренней структуры потока бумажной массы зависит от многих факторов, но более важной из них является концентрация. С возрастанием концентрации происходит упрочнение связей между волокнами и, следовательно, увеличиваются и прочностные характеристики структуры. Поэтому для разрушения связей требуются большие усилия и большая скорость потока, а разрушение идет с меньшей скоростью, чем для суспензии с меньшей концентрацией. Таким образом, более концентрированная суспензия требует больших затрат энергии на перемещение при низких скоростях. Однако при диспергировании потока транспортировка бумажной массы становиться
экономичней за счет снижения энергетических потерь, причем с увеличением концентрации этот эффект усиливается за счет того, что ориентированные волокна гасят микротурбулентные вихри в воде [5]. Так, при увеличении концентрации массы с 0,6% до 1,15% скорость потока при постоянном давлении, создаваемом насосом, увеличивается с 11,8 м/сек до 12,5 м/сек благодаря снижению гидравлических потерь.
Взаимодействие между волокнами в волокнистых суспензиях осуществляется через водные прослойки. Связи носят тиксотропный характер, их образование и разрушение зависит от приложенных нагрузок. Чем выше концентрация волокнистых систем, тем быстрее осуществляется структурообра-зование при снятии диспергирующего воздействия. Однако при любых концентрациях волокнистых суспензий продолжительность образования структур составит доли секунды.
Интенсивность структурообразования определяется измерением реологических параметров волокнистых суспензий, главным образом их вязкостью и прочностью. Эти параметры в значительной степени определяются концентрацией волокнистых суспензий [6].
Цель настоящей работы -определение влияния степени помола и концентрации волокнистой суспензии на реологические свойства беленой хвойной и лиственной сульфатной целлюлозы.
Материалы и методы исследований
В качестве объектов исследования использовалась сульфатная беленая целлюлоза из лиственных по ГОСТ 14940-96 и хвойных пород древесины по ГОСТ 9571-89.
Подготовка целлюлозной массы производилась по ГОСТ14363.4-89.
Роспуск и размол целлюлозы осуществляется в мельнице ЦРА, описание установки в приложении 1 ГОСТ 14363-89. На действующей мельнице был заменен блок управления скоростью вращения ротора двигателя на частотный преобразователь производства компании «Лидер», рассчитанный на мощ-
ность двигателя 2,2 кВт. Установка частотного преобразователя позволила осуществить плавный запуск и остановку электродвигателя, а также обеспечила меньшую погрешность регулирования заданной скорости вращения центробежного аппарата.
Роспуск производился 15 мин при 80 об/мин. центробежного аппарата, через 15 мин мельницу останавливали. Затем повышали число оборотов центробежного аппарата до 150 об/мин и размалывали целлюлозу от 23 до 72 минут до получения степени помола целлюлозы от 20 до 61 градуса°ШР.
Прочность волокнистой суспензии выражали через напряжение сдвига (Т, ПА), которое определяли на ротационном вискозиметре РВ-1.
На рисунке 1показана блок-схема автоматизированной системы научных исследований, которая создана на базе ротационного вискозиметра РВ-1. Измерительный узел ротационного вискозиметра состоит из двух вертикально расположенных коаксиальных цилиндров (1) и (3). Внутренний цилиндр (3) зафиксирован в центрах, что сводит трение в опорах к минимуму. С помощью гибкой тяги и рычажной системы внутренний цилиндр связан с тензометрическим силоизмерительным датчиком D1, который преобразует измеряемый момент трения в аналоговый сигнал. Интерфейс преобразует сигнал датчика и передает в компьютер, который в системе выполняет опрос датчиков. Привод наружного цилиндра (1) содержит двигатель (М), блок управления (Р) и датчик числа оборотов ^2). Эти устройства гарантируют неизменность во времени скорости вращения наружного цилиндра (1), т.е. гарантируют выполнение условия m=const., при заданной величине оборотов цилиндра.
Рис. 1 - Блок-схема АСНИ «Вискозиметр РВ-1»
На рис 1: 1 - наружный цилиндр, RH = 0,131 м, 2 -исследуемая среда, 3 - внутренний цилиндр, RВН = 0,12 м, D1 - датчик силоизмерительный, D2 - датчик оборотов, М - двигатель, Р - блок управления двигателем, РС - компьютер, Ч3-35 - частотомер электронный.
Для уменьшения пристенного проскальзывания поверхность внутреннего цилиндра имеет шероховатость. Влияние дискового трения сведено к минимуму за счет большой величины образующей внутреннего цилиндра (Ь=0,6 м) и конструкции его донной обла-
сти, которая выполнена в форме опрокинутого стакана. При заполнении зазора там сохраняется слой воздуха, который исключает трение суспензии о дно внутреннего цилиндра.
Рабочий зазор вискозиметра устанавливается дискретно, путем замены цилиндров 3. Диапазон изменения зазора от 0,011 м до 0,060 м. Наружный цилиндр 1 вращается в диапазоне от 0,2 до 35 с-1. Датчик соединен с внутренним цилиндром с помощью рычага, который позволяет изменять чувствительность системы измерения. Рабочим обычно выбирают внутренний цилиндр диаметром 0,24 м.
Устанавливается соотношение плеч рычага, который обеспечивает необходимую чувствительность датчика силоизмерительного. Закрепляется на опоре внутреннего цилиндра тяга, которая связывает цилиндр с рычагом. Через воронку заливается суспензия в зазор между цилиндрами до отметки 0,45 м. При необходимости суспензия в зазоре выравнивается проволочной мешалкой. Включается блок управления двигателем. Поворотом потенциометра на панели блока управления задается начальное, минимальное число оборотов наружного цилиндра (при визуальном контроле с помощью частотомера Ч3-35).
Двигатель (М) соединен с наружным цилиндром зубчатым ремнем, передаточноечисло 1:2. Число оборотов наружного цилиндра регулируется с ша-гомот 9 до 10об/мин.
Максимальное число оборотов цилиндра ограничивают образованием воронки в рабочем зазоре между цилиндрами в вискозиметре и составляет 300-340 об/мин. Указанный диапазон оборотов обеспечивает изменение градиента скорости (Г) до величины 380 1/с. Такой интервал градиента скорости гарантирует воздействие на волокнистую суспензию в структурированном, переходном и диспергированном режимах работы [5, 7].
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 приведены реологические характери-стикиволокнистой суспензии сульфатной беленой целлюлозы из лиственных пород древесины при степени помола 22,37,61 °ШР. Графики сняты при увеличивающихся концентрациях волокнистых суспензий.
На рис. 3 - приведены реологические характери-стикиволокнистой суспензии из сульфатной беленой хвойной целлюлозы при степени помола 20,38, 59 °ШР. Характеристики сняты при увеличивающихся концентрациях волокнистых суспензий.
Представленные на рис. 2 и 3 результаты исследований показывают, что напряжение сдвига и, соответственно, прочность волокнистых суспензий взаимосвязана с градиентом скорости. В общем случае с увеличением градиента скорости увеличивается и прочность волокнистой суспензии. При этом влияние градиента скорости на прочность волокнистой суспензии зависит от степени помола целлюлозы и концентрации волокнистой массы. В частности, с увеличением концентрации волокнистой массы и степени помола целлюлозы при постоянном градиенте скорости прочность волокнистой массы возрастает. Влияние градиента скорости на прочность волокнистой суспензии зависит и от вида целлюлозы.
М/с
■С=ШХ —•—&097Х -*-С=0.54й
а Ь с
Рис. 2 - Зависимость реологических характеристик волокнистых суспензий сульфатной беленой целлюлозы из лиственных пород древесины от концентрации массы и степени помола целлюлозы: а - 22, Ь - 37, с - 61 °ШР
а Ь с
Рис. 3 - Зависимость реологических характеристик волокнистой суспензии сульфатной беленой целлюлозы из хвойных пород древесины от концентрации массы и степени помола целлюлозы: а - 20, Ь - 38, с -59 °ШР
При постоянном градиенте скорости прочность волокнистой суспензии из сульфатной беленой целлюлозы хвойных пород древесины выше, чем прочность волокнистой суспензии из сульфатной беленой целлюлозы из лиственных пород древесины.
Из результатов, представленных на рис. 4 (а) видно, что с ростом степени помола целлюлозы увеличивается прочность волокнистых суспензии, так как для ее разрушения требуются более высокие касательные напряжения. Эту зависимость можно объяснить увеличивающейся гидратацией целлюлозы и активным взаимодействием размолотых волокон целлюлозы в суспензии между собой через водные прослойки. При этом установленная зависимость характерна, прежде всего, для хвойной сульфатной беленой целлюлозы.
На рис. 4 (в) представлены результаты, отражающие влияние концентрации целлюлозы на прочность волокнистых структур, из которых видно, что с рост количества волокон в единице объема суспензии приводит к увеличению количества межволоконных кон-тактови, соответственно, к повышению прочности волокнистой суспензии. Следует отметить, что прочность волокнистых суспензий из целлюлозы хвойных пород древесины выше, чем целлюлозы из лиственных пород древесины.
Степень помола,°ШР a
< С
С, %
ь
Рис. 4 - Зависимость касательного напряжения от степени помола (а) и концентрации массы (Ь) сульфатной беленой целлюлозы из лиственных пород древесины (1) и сульфатной беленой целлюлозы из хвойных пород древесины (2) при градиенте скорости 167 1/с
Степень помола, °Шр
1- Хвойная целлюлоза 2-Лиственная целлюлоза
Рис. 5 - Зависимость касательного напряжения от степени помола целлюлозы при градиенте скорости 167
Результаты, представленные на рис. 5, подтвер-ждаютвывод о том, что прочность волокнистой суспензии взаимосвязана с видом целлюлозы и степенью ее помола. Установленные закономерности можно объяснить также более длинными волокнами хвойной целлюлозы по сравнению с волокнами целлюлозы из лиственных пород древесины.
Выводы
1. Прочность волокнистой суспензии, выраженная через напряжение сдвига, как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы зависит от концентрации и степени помола целлюлозы.
2. Прочность волокнистой суспензии хвойной
целлюлозы выше, чем волокнистой суспензии из
лиственной целлюлозы.
Литература
1. Александров А.В., Александрова Т.Н., Реология и гидродинамика процессов отлива и формование бумаги. Часть 1. Реология и гидродинамика волокнистых суспензий. Учебное пособие, СПб (2015),
2. Смолин А.С., Дубовый В.К., Комаров Д.Ю., Канарский А.В., Вестник Казан. технол. унив. №15, с.86-88. (20016),
3. Смолин А.С., Дубовый В.К., Комаров Д.Ю., Канарский А.В., Вестник технол. ун-та.Т 19, № 12, c.82-85 (2016),
4. Leandro Sebastian SalgueiroHartard. Experimental study and computational simulation of_bre suspension ows - Application to headboxes. Chemical and Process Engineering. Institut National Polytechnique de Grenoble INPG.S 45-64.(2008),
5. ТерентьевО.А.,Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве/ О.А. Терен-тьев. М.: Лесная промышленность, 248 с.(1980),
6. СмолинА.С., ШабиевР.О., Николаев Е.С., Сборник трудов конференции. Проблема механики целлюлозно-бумажных материалов. Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, с.40 - 44. (2011),
7. ДмитриеваН.А., Рейзинь Р.Э., Вискозиметрические исследования напряжений сдвига в суспензиях древесных волокон, подвергнутых гидротермической обработке // Химия древесины. Т.-9. с.153 - 161 (1971).
© А. С. Смолин, профессор, д.т.н., зав. кафедрой технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; Ю. А. То-тухов, доцент, к.т.н. доцент кафедры процессов и аппаратов Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; Д. Р. Оруджов, аспирант кафедры технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; А. В. Канарский, д.т.н., профессор, каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, [email protected].
© A. S. Smolin, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Paper Technology and cardboard St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; Yu. A. Totukhov, accociate professor, candidate of schences Department of Processes and Apparatus St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; D. R. Orudzhev, Doctoral Candidate of Department of Paper Technology and cardboard St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; A. V. Kanarskiy, Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, [email protected].
