CC BY
20
А.И. Ларионова, Ю.Д. Алашкевич и др. Способ определения коэффициента динамической вязкости для волокнистых суспензий...
УДК 676.024.61
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ДЛЯ ВОЛОКНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ
А.И. Ларионова, Ю.Д. Алашкевич, В.А. Кожухов, И.А. Воронин
ФГБОУ ВО Сибирский государственный технологический университет, 660049, Красноярск, (Россия), пр. Мира, 82., e-mail: [email protected]
В работе приведен метод определения коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий. Представлены данные по влиянию коэффициента динамической вязкости волокнистых суспензий на отдельные бумагообразующие свойства.
Ключевые слова: Ножевая гарнитура, размол, волокнистый полуфабрикат, дисковая мельница, технологические параметры размола.
The paper presents a method for determining the dynamic viscosity coefficient of fiber suspensions. The data on the influence of the coefficient of dynamic viscosity fiber suspensions for certain papermaking properties.
Keywords: Knife headset, grinding, the pulp, disk mill, grinding process parameters.
ВВЕДЕНИЕ
В целлюлозно-бумажном производстве большинство технологических процессов осуществляется в машинах и аппаратах, характерная особенность которых - нестандартность исполнения и специфичность конструкторского решения, путем воздействия на волокнистую суспензию, представляющую смесь воды, волокна и некоторых химических вспомогательных веществ. Именно поэтому при производстве целлюлозы и особенно бумаги реологические процессы являются преобладающими и распространяются на большинство основных технологических процессов, например, таких, как размол (Терентьев, 1986).
Размол - важнейшая стадия производства бумаги, в процессе которого, в первую очередь меняется размер структурных элементов, принимающих участие в образовании бумажного листа, благодаря фибриллирова-нию волокон создаются предпосылки для образования более сомкнутого и более прочного бумажного листа (Бабурин, 1983).
До настоящего момента недостаточная точность гидравлических методов расчета (Алашкевич., 2004; Веретнов, 1973) с учетом движения волокнистой суспензии объяснялось сложностью реологических характеристик волокнистых суспензий. Имеющи-
еся сведения по реологии волокнистых суспензий весьма ограничены, зачастую противоречивы и недостаточно раскрывали суть физических процессов, происходящих при их движении. Большинство способов (Ерофеева, 2009; Реусов, 1968; Ротационные приборы.., 1968) определения коэффициента динамической вязкости, как наиболее важного физического параметра для расчета оборудования, зачастую имеют сложные приборное оснащение и методику расчета, а так же обладают недостатками из-за погрешностей, невоспроизводимости результатов измерений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Существующие ранее способы определения динамической вязкости, основанные на свободном времени истечения жидкости из определенного сосуда, имели погрешность, связанную с постоянно меняющимся объемом жидкости. В предложенном способе эта погрешность эксперимента устранена, так как вискозиметр обеспечивает принудительное движение жидкости (волокнистой суспензии) с заданной постоянной скоростью. Принципиальная технологическая схема работы предложенного вискозиметра представлена на рисунке 1.
1 2
1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень^З^удлините '
Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схема вискозиметра
Хвойные бореальной зоны, XXXII, № 1 - 2, 2014
Таким образом, в отличие от известных способов, в предлагаемом решении в качестве основных входных параметров измеряются температура, время истечения сравниваемых жидкостей и их объемы. При известных диаметрах живых сечений каналов (рисунок 2) и вязкости воды, решение задачи выходных параметров и определение вязкости неньютоновской жидкости, существенно упрощается. Предложенный метод (Решение о выдаче патента..., 2014) измерения вязкости обладает рядом преимуществ: не дорогим и, в конструктивном отношении, более простым приборным оснащением, кроме того метод требует меньших затрат времени.
Vе-
ы1
Г~Гср)
2-п -г,
ср
■к!"'
где т] - вязкость неньютоновской жидкости, Пас;
N° - полезная мощность, затрачиваемая на секундный сдвиг, Пас;
г - радиус внутренней поверхности трубы, м; г - средний радиус потока неньютоновской жидкости, м; ос
ср
суспензии,м с .
Таблица 1 - Зависимость коэффициента динамической вязкости от степени помола и концентрации
Коэффициент динамической вязкости, ц, Пах
Метод „ размола
ШР
Концентрация, С, %
(1)
0,5 1 1,5
18 0,00098049 0,00103082 0,00133761
й о в 30 0,00090711 0,00096892 0,00122407
N
£ 50 0,00085615 0,00091261 0,00110832
70 0,00083793 0,00089349 0,00107994
средняя скорость потока водной
Рисунок 2 - Распределение скоростей потока воды в продольном сечении круглой трубы при ламинарном режиме
Основным оборудованием для размола волокнистой массы выбрана полупромышленная дисковая мельница (Алашкевич, 2006).
В качестве исследуемой жидкости использовалась сульфатная беленая хвойная целлюлоза - полуфабрикат филиала ОАО «Группа «Илим» в г. Братске.
Величина степени помола волокнистой массы по шкале Шоппер-Риглера на размольной установке имела следующие значения: (18, 30, 50, 70)°ШР.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На основании экспериментальных данных (таблица 1,2,3) построен график зависимости коэффициента динамической вязкости от прироста степени помола ШР и концентрации.
Степень помола, отражающая степень гидратации, фибриллирования, гибкость и пластичность волокон определялась по ходу размола при помощи аппарата СР-2.
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента динамической вязкости от прироста степени помола ШР
Из графика, представленного на рисунке 3, следует, что с увеличением степени помола коэффициент динамической вязкости снижается. Это можно объяснить тем, что с увеличением степени помола происходит разрушение структурного каркаса и волокно становится более разработанным.
Зависимость внешней удельной поверхности от коэффициента динамической вязкости.
При увеличении внешней удельной поверхности уменьшается способность массы отдавать воду, и увеличивается площадь контакта благодаря фибриллам, образовавшимся на поверхности волокон при размоле.
Методика основана на абсорбции бумажной массы коллоидного раствора конго с фиолетовой окраской, который образуется в результате тщательного перемешивания одного литра 0,15 % раствора конго красного с 60 мл буферного раствора. Последний составляется из 980 мл 0,1-молекулярного раствора лимонной кислоты и 20 мл 0,2-молекулярного раствора двухзамещенного фосфора. Полученный раствор конго приобретает устойчивую фиолетовую окраску.
А.И. Ларионова, Ю.Д. Алашкевич и др. Способ определения коэффициента динамической вязкости для волокнистых суспензий..
Таблица 2 - Экспериментальные данные для расчета калибровочной прямой
„ Состав Состав - , буферного конго раствора Сумма Концентрация, х, г/л Плотность, D
1 1 2 0,750 1
1 5 6 0.250 0,4
11 1 0,136 0,4
1 2 2 0,071 0,1
1 4 4 0,037 0,1
15 5 0,029 0,1
1 1 1 0,015 0,0
0,0014 0,0013 0,0012
о
0,0011
=£
0,001 0,0009 0,0008
* ч \
\ \
\ \ \ »
ч \
V \ ч \
у= 1.2324Х + 0.1074
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800
Рисунок 4 - Калибровочная прямая (для определения внешней удельной поверхности)
25000 250000
Внешняя удельная поверхность, 8, м2/кг
Рисунок 5 - Зависимость внешней удельной поверхности волокна от коэффициента динамической вязкости
Из рисунка 5 следует, что при уменьшении значения коэффициента динамической вязкости внешняя удельная поверхность увеличивается. Это можно объяснить тем, что происходит более упорядоченное ориентирование волокон в потоке, что соответствует лучшему развитию внешней удельной поверхности за счет лучшего проникновения молекул воды в межфибриллярное пространство.
Таблица 3 - Экспериментальные данные внешней удельной поверхности при ножевом размоле
Концен трация С,% °ШР Плотность, D Т,% С1 С2 х/т S X У
18 0,8 16 0,847 0,451 0,025 78639 0,025 0,025
0,5 30 50 0,63 0,46 25 53 0,847 0,847 0,331 0,212 0,032 0,039 102339 126039 0,032 0,039 0,025 0,115
70 0,38 89 0,847 0,156 0,043 137192 0,043 0,123
18 0,8 16 0,847 0,451 0,025 78639 0,025 0,025
1 30 0,55 20 0,8 0,275 0,035 113492 0,035 0,026
50 0,33 38 0,847 0,120 0,045 144163 0,045 0,128
70 0,3 86 0,847 0,099 0,046 148346 0,046 0,131
18 0,8 16 0,847 0,451 0,025 78639 0,025 0,025
1,5 30 0,56 35 0,847 0,282 0,035 12098 0,035 0,026
50 0,39 79 0,847 0,163 0,042 135798 0,042 0,122
70 0,35 84 0,847 0,135 0,044 141305 0,044 0,125
ВЫВОДЫ
- найден принципиально новый способ определения коэффициента динамической вязкости;
- экспериментальными данными подтверждено что, при повышении градуса помола, коэффициент динамической вязкости снижается;
- коэффициент динамической вязкости оказывает влияние на отдельные бумагообразующие свойства волокнистой массы, в частности, снижение значений коэффициента динамической вязкости волокни-
стой суспензии влечет за собой увеличение внешней удельной поверхности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Терентьев, О. А. Реология и гидродинамика бумажной массы / О. А. Терентьев, В. С. Куров. - Л.: ЛТА, 1986. - 81 с. Бабурин, С. В. Реологические основы процессов целлюлозно-бумажного производства / С. В. Бабурин, А. И. Киприанов.- М.: Лесная промышленность, 1983. - 192 с.
Хвойные бореальной зоны, XXXII, № 1 - 2, 2014
Алашкевич Ю.Д. Гидродинамические явления при безножевой обработке волокнистых материалов. Красноярск 2004г. - 80с.
Веретнов, А. К. Исследование влияния силовых воздействий на процесс размола целлюлозы в ножевых машинах и разработка конструкции гарнитура для ее гидродинамической обработки: дис. ... канд. техн. наук: 05.21.03 / А. К. Веретнов. - Красноярск, 1973. - 159с.
Ерофеева, А. А. Особенности измерения вязкости волокнистых суспензий / А. А. Ерофеева, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - Т.1. - С. 241-243.
Реусов, А. В. Вискозиметр для волокнистых суспензий / А. В. Реусов, М. Г. Кизин, В. Е. Богословский // Бумажная промышленность. - 1968. - № 9. С. 11-12.
Ротационные приборы. Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов / И. М. Белкин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1968. - 272 с.
Решение о выдаче патента на изобретение Российской Федерации от 13.02.2015. Способ определения вязкости неньютоновских жидкостей / Алашкевич Ю.Д., Ковалев В.И., Ларионова А.И. (РФ). - № 2014100747/28(000960); заявл. от 09.01.2014 Алашкевич Ю.Д., Решетова Н.С., Гудовский В.П. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли. Часть 2: учебное пособие для студентов специальностей 170404 (150405), 260304 (240406) и 030528 (050501) очной, заочной и очной сокращенной форм обучения. Красноярск: СибГТУ, 2006. - 298 с.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках государственного задания по теме «Закономерности процессов и совершенствование оборудования при заготовке древесины, глубокой химической переработке биомассы дерева и восстановление лесов Сибири» № государственной регистрации НИР: 114042140006.
Поступила в редакцию 24.12.13 Принята к печати 26.05.14
