CC BY
40
УДК 676.1.054.1
ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ РОСПУСКЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ
© Н.Г. Чистова1*, Ю.Д. Алашкевич2,3, Н.А. Петрушева1
1 Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия)
E-mail: [email protected]
2Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,
Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: [email protected]
3Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок,
Красноярск, 660036 (Россия)
Определены затраты электроэнергии, используемой при обработке вторичной древесно-волокнистой массы в гидро-разбивателе и влияние на них основных технологических параметров данного процесса, что позволило в значительной мере снизить затраты удельного расхода электроэнергии, по сравнению с существующими методами обработки.
Ключевые слова: электроэнергия, вторичная масса, древесно-волокнистое сырье, гидроразбиватель, математическая модель, технологический процесс, вторичное волокно.
Введение
В производстве древесно-волокнистых плит на сегодняшний день не решена в полной мере задача максимального использования вторичного сырья в основном производстве, которая, несомненно, решила бы целый ряд народно-хозяйственных проблем. Среди них - значительное сокращение расхода исходного первичного сырья в основном производстве без снижения качества готовой продукции. Таким образом, обеспечив возможность сокращения сырьевой базы в производстве древесно-волокнистых плит мокрым способом, это позволит решить серьезную экологическую проблему, связанную с загрязнением водоемов мелким вторичным волокном, уносимым с оборотными водами; в значительной мере сократить водопотребление и водоотведение данного производства; более полно использовать в основном производстве продольных и поперечных кромок древесно-волокнистых плит от ФОР, которые сжигаются в местных ТЭЦ, загрязняя воздушный бассейн, или вывозятся в отвалы, являясь дополнительным источником загрязнения окружающей среды. При получении древесно-волокнистых плит (ДВП) отходы производства составляют около 20%.
Экспериментальная часть
В производстве древесно-волокнистых плит в целом на предварительную подготовку древесноволокнистого полуфабриката потребляется до 65% всех затрат электроэнергии производства.
Задачей исследования процесса обработки вторичного волокна является определение влияния технологических параметров процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе на удельный расход электроэнергии.
Для изучения влияния технологических параметров процесса на энергозатраты была построена математическая модель процесса и в качестве входных величин выбраны: Х} - продолжительность обработки вторичного волокна (ф), с; Х2 - температура вторичной массы (Т), °С; Х3 - концентрация вторичной массы (с), %.
Выходная величина: Y - удельный расход электроэнергии (Еуд), кВт-ч/т. Интервалы и уровни их варьирования представлены в таблице 1.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Таблица 1. Основные факторы и уровни их варьирования
Обозначения Интервал Уровень варьирования фактора
Наименование фактора натуральное нормализо- ванное варьирования фактора нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Продолжительность разработки вторичного волокна, с т Х1 9-102 6102 15102 24-102
Температура вторичной массы, °С Т Х2 20 10 30 50
Концентрация вторичной массы, % с Х3 1 1 2 3
Формулы, связывающие нормализованные и натуральные обозначения, будут в данном случае иметь вид для продолжительности обработки - т, с
т-1500 (1)
X і
для температуры - Т, °С
для концентрации - с, %
X 2 =
900
Т - 30
20
с - 2
(2)
(3)
1
В результате статистической обработки экспериментальных данных было получено следующее уравне-
ние
Г = 23,1 + 6,5 Хг + 3,8 Х2 + 5,12 Х3 +0Д3Х/ +0,15 Х/ + 0,22 Х/-1,8 Хг Х2 +0,13 Хг Х3 +0,9 Х2 Х3.
(4)
Адекватность модели определялась по Б-критерию Фишера: Ррасч<Ртабл. Таким образом, условие Ррасч=1,42<Ртабл=1,67 выполняется, модель адекватно описывает процесс обработки вторичного волокна в гидроразбивателе.
Обсуждение результатов
Приведем некоторые общие выводы, касающиеся анализа и интерпретации полученной модели. Для этого лучше всего пользоваться уравнением в нормализованных обозначениях факторов. Поскольку уравнение (5) отличается от линейного, то простое сравнение по абсолютной величине линейных коэффициентов регрессии не определяет относительную степень влияния факторов, поскольку присутствуют еще квадратичные члены и парные взаимодействия. Для квадратичной модели степень влияния фактора на изменение отклика не является постоянной. Она различна в разных точках диапазона варьирования, а при наличии парных взаимодействий определяется еще и уровнями факторов, входящих в эти взаимодействия.
Итак, очевидно, что влияние всех факторов на отклик является квадратичным, так как присутствуют соответствующие квадратичные члены. При этом можно утверждать, что при росте величины фактора Х1 (ф - продолжительность обработки) отклик возрастает всегда, при любых значениях остальных факторов,
так как Ь;=6,5>0 и Ь;=2,7> ^|Ь1 \ =1,93. Аналогично с ростом значений факторов Х2, Х3 отклик У (Еуд-
1, 1 *1
удельный расход электроэнергии) всегда возрастает. Наибольшее влияние фактора Х} имеет место при Х2=+1, Х3=+1, при этом д1тах=8,69; наибольшее влияние факторовХ2 и Х3 имеет место при Х;=+1, Х3=+1 для Х2 и Х1=+1, Х2=+1 для Х3. Наибольшее влияние по показателю д1тах имеет фактор Х;.
Рассмотрим семейство графических зависимостей У от Х} при различных значениях фактора Х2 и фиксированных уровнях фактора Х3. При этом проявится эффект парного взаимодействия Х}Х2. Значения фактора Х3 зафиксируем на уровнеХ3 = 0. Поставив значенияХ2 = -1 иХ3 = 0 в (5.1), получим
У = 19,45 + 8,3Х1 + 0,13Х12. (5)
Построим эту параболу по точкам, но сначала выясним ее «поведение» в интересующем нас диапазоне -1<Х/<+1. Для этого уравнения Ъп = 0,13>0, поэтому данная парабола вогнутая, имеет экстремум вне диапа-
зона варьирования фактора, а это означает, что функция (5) монотонно возрастающая. Для приближенного построения параболы воспользуемся пятью точками:
Х] = -1, У = 11,28; Х] = -0,5, У = 15,03; Х] = 0, У = 19,45;
Х = 0,5, У = 23,65; Х] = 1, У = 27,88 (кривая 1 на рисунке 1).
Сохранив значения Х3=0, положим теперь Х2 = +1. Получим зависимость
У = 27,05 + 4,7Х! + 0,13Х!2 (6)
По сравнению с (5) здесь изменился не только свободный член, но и коэффициент Ь], который вместо 8,3 принял значение, равное 4,7. Последнее произошло из-за парного взаимодействия Х]Х2. В результате парабола, описываемая последним уравнением, будет более пологой, т.е. с уменьшением фактора Х2, соответствующего температуре суспензии при обработке, влияние продолжительности обработки на удельный расход электроэнергии уменьшается. В то же время значения удельного расхода электроэнергии возрастают - это следует из увеличения свободного члена (кривая 2 на рис. 1).
Аналогично можно проанализировать влияние остальных факторов и их парных взаимодействий на отклик.
От графиков, построенных для нормализованных факторов, очень просто перейти к натуральным обозначениям факторов. Для этого достаточно перейти к другому масштабу по оси абсцисс.
Модель с натуральными обозначениями факторов будет иметь следующий вид
Буд = 18,84 + 0,0007ф + 0,197’ + 0,3с + 0,0000009ф2 + 0,00047і2 + 0,22с2 -0,000087ф + 0,0001фс
+0,0045 Тс. (7)
Графические зависимости (рис. 2-4) представляют собой поверхности отклика, построенные в трехмерной системе координат для натуральных обозначений факторов. Для построения таких графиков один из факторов фиксируют и изменяют значения двух других факторов, поэтому данные поверхности отклика позволяют увидеть не только влияние отдельного фактора на отклик, но и взаимодействие двух факторов. На рисунках приведены графики при фиксировании одного из факторов на среднем уровне, так как графики при фиксировании факторов на максимальном и минимальном уровнях будут повторять свой вид.
Анализ графических зависимостей показывает следующее. С увеличением значений фактора концентрации вторичной массы уровень расположения параболы, описывающей зависимость удельного расхода электроэнергии от продолжительности обработки, становится выше, т.е. значения удельного расхода электроэнергии увеличиваются, так же парабола становится более крутой, что говорит об усилении влияния фактора продолжительности обработки вторичного волокна на отклик с ростом значений фактора концентрации.
Влияние фактора концентрации наглядно можно увидеть на рисунках 3 и 4. очевидно, что с ростом значений концентрации увеличивается удельный расход электроэнергии. При этом на начальной стадии обработки вторичного волокна (при продолжительности обработки от 600 до 1200 с) влияние фактора концентрации на отклик незначительно, затем влияние этого фактора усиливается по мере возрастания фактора продолжительности обработки. Таким образом проявляется парное взаимодействие факторов фс и их влияние на величину удельного расхода электроэнергии.
♦ кривая 1 Х1
Рис. 1. Графики зависимостей У = /(Х]) кривая 2 1
Поверхность отклика Еуд = / (Т, с), характеризующая парное взаимодействие факторов температуры и концентрации, представлена на рисунке 4. Как можно увидеть из данного рисунка, под влиянием фактора концентрации изменилась зависимость удельного расхода электроэнергии от температуры обработки. Экстремум параболы сместился и стал более выраженным. С другой стороны, влияние фактора концентрации на отклик усиливается с увеличением значений фактора температуры. Однако под влиянием фактора температуры зависимость удельного расхода электроэнергии от концентрации приобрела линейный характер.
Использование вторичного волокна в основном производстве готовой продукции - древесноволокнистых плит мокрым способом - позволит значительно снизить энергозатраты за счет полного или частичного сокращения технологических операций, предусмотренных в производстве ДВП при использовании исходного первичного сырья, а также замены энергоемкого оборудования в виде дисковых и конических мельниц на оборудование менее энергоемкое, основанного на безножевой обработке вторичного сырья.
Рис. 2. Поверхность отклика Е = /(т, Т)
с,%
Рис. 3. Поверхность отклика Еуд = /(ф, с)
Рис. 4. Поверхность отклика Еуд = /(Т, с)
Выводы
Таким образом, при помощи полученных математических моделей и построенных по ним графических зависимостей, варьируя технологическими параметрами процесса обработки вторичного волокна, можно снизить затраты удельного расхода электроэнергии на 27%.
Список литературы
1. Алашкевич Ю. Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах: Дис. ... докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.
2. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1984. 232 с.
3. Чистова Н.Г., Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д. Безотходные технологии в производстве древесноволокнистых плит // Фундаментальные исследования. 2004. №3. С. 112-113
Поступило в редакцию 4 марта 2009 г.
