CC BY
112
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТОНКИЙ ПОМОЛ И СУШКА ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ
в вихревой мельнице-нагревателе
А.Б. ЛИПИЛИН, генеральный директор завода «ТЕХПРИБОР»,
М.В. ВЕКСЛЕР, технический директор завода «ТЕХПРИБОР»,
Н.В. КОРЕНЮГИНА, главный технолог завода «ТЕХПРИБОР»,
А.М. МОРОЗОВ, научный консультант ООО «БИОВЕТ-ФЕРМЕНТ»,
Г.Н. КОНОНОВ, проф. каф. ХТДиПМГУЛ, канд. тех. наук,
К.Л. КОСАРЕВ, асп. МГУЛ,
А.В. КУДРЯШОВ, студент МГУЛ.
Одними из перспективных направлений совершенствования технологии переработки древесного сырья являются методы, основанные на энергосберегающих процессах. Соответствующее аппаратное оформление открывает широкие возможности повышения экономичности переработки природных материалов, в том числе отходов древесины, за счет уменьшения энерго- и металлоемкости, а также увеличения КПД оборудования, основанное на совмещении нескольких процессов в одном.
Принцип действия вихревой мельницы-нагревателя основан на том, что аппарат реализует метод дискретного многофакторного энергетического воздействия на обрабатываемое сырье, использования пульсаций давления в локальных объемах камеры помола и высоких сдвиговых усилий, возникающих при относительном движении сред и фаз. Для вихревой мельницы-нагревателя характерны ярко выраженные трибофизические и, пови-димому, механохимические эффекты.
Комплексное воздействие, оказываемое вихревой мельницей-нагревателем на перерабатываемые материалы, не может быть приписано отдельным физическим эффектам без учета их взаимодополняющего, а иногда и кумулятивного действия. Однако для лучшего понимания данных процессов методически допустимо их раздельное описание.
В ряду технологий переработки древесного сырья естественной влажности особый интерес представляет высокая эффективность вихревой мельницы-нагревателя в получении сухих порошков, преобладающий размер частиц которых составляет десятки
kosarev_83@mail. ru
микрон. Несмотря на относительно невысокую электрическую мощность и отсутствие внешних источников тепла, вихревая мельница-нагреватель способна удалять из влажного материала достаточное количество воды за счет ее локального нагрева и испарения.
Кроме этого, часть свободной влаги удаляется за счет ее центробежного отжима и «кинетического» съема влаги с поверхности частиц измельчаемого материала, что исключает затраты энергии на испарение[1].
Для экономичной сушки древесного сырья одновременно с его тонким помолом необходимо интенсифицировать процесс образования новых поверхностей, чтобы связанная влага из внутренних слоев оказывалась на вновь образованных поверхностях доступной для «кинетического» съема, а также обеспечить эффективное отделение воздушно-капельной дисперсии от твердой фазы без ее повторного увлажнения.
Если первое требование связано в основном с количественными и качественными показателями (сколько энергии подведено к объекту и насколько полно она использована для его разрушения), то второе относится к созданию максимальной разности температур и давлений в разных областях камеры помола.
Для нагрева воздуха в вихревой мельнице-нагревателе используется принцип температурного разделения потоков, аналогичный эффекту Ранка, который заключается в том, что в вихревой трубе происходит разделение потока воздуха на два: один имеет температуру выше температуры исходного воздуха, а второй - ниже [2].
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013
139
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 1. Принципиальная схема мельницы-нагревателя: 1 - ротор; 2 - дроссельный клапан; 3 - наружный воздух; 4 - холодный поток; 5 - горячий поток
Вихревые холодильно-нагреватель-
ные аппараты как противоточного, так и прямоточного типов широко используются в различных отраслях промышленности, в том числе для фазового разделения газожидкостных смесей в химико-технологических процессах, подогрева пара в паротурбинных энергоустановках, энергетической сепарации доменных газов и др. [3]. Именно конструкция вихревых трубок-энергоразделителей дает наиболее полное представление о реализованной в вихревой мельнице-нагревателе модели осушения древесного сырья.
В ней для генерации вихрей использован вращающийся ротор-импеллер, а горячий воздух внешнего вихря после выхода из кольцевого зазора дросселя повторно поступает на вход камеры помола. Таким образом, вихревую мельницу-нагреватель можно рассматривать как частный случай прямоточной вихревой трубы с замкнутым горячим контуром и открытым холодным (рис. 1).
Несмотря на внешнюю простоту устройства, вихревая мельница-нагреватель имеет высокую термодинамическую эффективность, что объясняется рециркуляцией горячего воздуха внешнего вихря через загру-
Рис. 2. Схема помольной камеры: 1 - профилированная камера помола с 20 пульсационными камерами, 2 - рубашка охлаждения
зочный патрубок-теплообменник, в котором входящий воздух интенсивно перемешивается с нагретым.
В отдельных случаях при измельчении сухих материалов в условиях высокой температуры окружающей среды вихревая мельница-нагреватель, работающая в режиме рециркуляции горячего воздуха, вырабатывает такое количество излишнего тепла, что это может привести даже к тлению материала в камере помола, что возможно при температуре, близкой к 200 °С. Для борьбы с чрезмерным нагревом аппарат оснащается водяной рубашкой охлаждения (рис. 2) и устройством регулирования границы терморазделения, путем изменения радиального зазора в дроссельном клапане.
Согласно данным, приведенным в монографии [4], расход энергии на получение древесной муки с размерами частиц <100 мкм у вибрационных мельниц составляет 1000-1200 кВтч на тонну. При этом одним из обязательных условий применения вибромельниц является предварительное дробление сырья, а также его сушка до влажности <4 %, что еще больше увеличивает энергозатраты на получение порошков.
140
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Вихревая мельница-нагреватель на получение 1 т древесной муки указанного качества из неподготовленного влажного сырья затрачивает в среднем 300 кВтч электроэнергии, что в 3,3-4 раза меньше энергорасхода традиционно используемых для этих целей мельниц.
Очевидно, что для получения таких впечатляющих результатов модель разрушения частиц древесного сырья в вихревой мельнице-нагревателе должна серьезно отличаться от моделей, реализуемых в измельчителях других типов (молотковых дробилках, ножевых размалывающих машинах, вибрационных и воздухоструйных мельницах и др.). К сожалению, на сегодняшний день ни одна из классических теорий измельчения не позволяет установить четкую количественную связь между затратами энергии и размерами начальных и конечных частиц измельчаемого материала, особенно если эти размеры находятся в диапазоне десятков микрон. Теории измельчения Реттингера, Кирпичева-Кикка, Стендлера подходят для расчета грубого помола хрупких материалов, однако они в недостаточной степени учитывают потери энергии на трение частиц о рабочие поверхности мельниц и упругую деформацию исходного материала, не приводящих к его разрушению. При этом разница между расчетным и фактическим энергорасходом мельниц тонкого помола может превышать 500 % [5].
Необычно высокая степень помола древесного сырья в вихревой мельнице-нагревателе тем более трудно объяснима с позиций механического измельчения, если учесть, что конструктивно аппарат не имеет рабочих органов, предназначенных непосредственно для прямого воздействия на частицы измельчаемого материала.
Для объяснения полученного эффекта необходимо рассмотреть процессы механохимии, изучающей изменение свойств веществ в результате интенсивного механического воздействия при их деформировании.
По мнению В.В. Болдырева [6] а также ряда других исследователей [7], существуют два основных физических процесса, которые возбуждают механохимические реакции в
твердых телах: деформация кристаллов (для древесного сырья, макромалекул или надмолекулярных структур) и их разрушение. В ходе этих процессов выделяется тепло, возникают сдвиговые напряжения, обычно сопровождающиеся локальным подъемом температуры и давления, разрывом химических связей на вновь образованных поверхностях и формирование вследствие этого центров с повышенной активностью (свободных радикалов). Аналогичные выводы были сделаны Е.Г. Аввакумовым и для высокомолекулярных органических соединений на основе данных о механодеструкции целлюлозы при ее помоле
[7].
Результаты исследований по механохимии полимеров и высокомолекулярных соединений обобщены в обзорных работах А.А. Берлина [8] и Н.К. Барамбойма [9].
Большинство исследователей механохимии твердых тел в качестве первоочередной задачи признают определение запаса избыточной энергии и установление вида концентрации и характера распределения дефектов. При этом наибольшее количество дефектов структуры материала может быть получено в измельчительных аппаратах, обеспечивающих импульсное воздействие на частицы, что является в ряде случаев объяснением кинетического характера протекания механохимических реакций [10].
На основании изложенного, а также обширного экспериментального материала, полученного в ходе разработки и отладки аппарата, можно сделать предположение о физике процесса измельчения древесного сырья в вихревой мельнице-нагревателе. Большая часть введенной в объем камеры помола энергии, вероятно, не расходуется на немедленное образование новых поверхностей, а накапливается в частицах в виде структурных дефектов. Таким образом, характер измельчения имеет ярко выраженную цикличность - сначала происходит накопление дефектов «отложенного измельчения», а по достижении критических значений - взрывное разрушение частиц.
Подобное предположение не противоречит существующей теории измельчения.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2013
141
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 3. Электронная микрофотография древесной муки полученной на мельнице-нагревателе с 20 пуль-сационными камерами (увеличение 1000х)
Рис. 4. Электронная микрофотография древесной муки, полученной на мельнице-нагревателе с 50 пульсационными камерами (увеличение 1000х)
Рис. 5. Древесная мука, полученная в аппарате с 20 пульсационными камерами
\
.SJ
Рис. 6. Древесная мука, полученная в аппарате с 50 пульсационными камерами
Л.Б. Левенсон, основываясь на теории Кир-пичева-Кикка, предположил возможность «взрывного» разрушения всего объема измельчаемого материала.
Это подтверждается результатами экспериментов по тонкому помолу опилок хвойных пород древесины в вихревой мельниценагревателе.
При исследовании микрофотографий, сделанных на сканирующем электронном микроскопе Phenom G2, образцов древесной муки, полученной при разных режимах работы экспериментального аппарата, конструкция которого предусматривала возможность установки статоров с разным количеством
пульсационных камер, были отмечены существенные отличия формы и структуры поверхности частиц.
Древесная мука, полученная на средних режимах работы аппарата с 20 пульсаци-онными камерами статора, имеет достаточно равномерный гранулометрический состав, представлена частицами с сохраненной анатомической структурой природной древесины без явных следов отделения волокон (рис.
3).
Частицы древесной муки, полученной в аппарате с 50 пульсационными камерами статора, выглядят совершенно иначе. Помимо большого количества мелких фрагмен-
142
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
тов наблюдается нарушение анатомической структуры, выраженное разделением на слои и отделением отдельных волокон, сами частицы выглядят более «рыхлыми» (рис. 4).
Полученные порошки существенно отличались и по внешнему виду. В первом случае продукт помола представлял собой хорошо сыпучую массу цвета исходной древесины (рис. 5), во втором - это была рыхлая, «ватная» масса серо-бурого цвета (рис. 6). Возможность загрязнения образцов другими материалами полностью исключалась, после обратной установки статора с 20-ю пульсаци-онными камерами из разгрузочного окна вихревой мельницы-нагревателя снова выходила древесная мука светлых тонов.
Наиболее вероятной причиной изменения цвета, формы и структуры поверхности частиц древесины является локальное повышение давления, вызванное быстрым вскипанием внутренней влаги материала или «парового взрыва». Пусковым механизмом данного процесса могут являться скачки давления, которые приводят к срыву пленки пара, что резко интенсифицирует теплообмен, вызывая «микровзрывы» частиц.
Потемнение древесной муки можно объяснить только одной причиной: под влиянием точечного «микронагрева» имеют место локальные конденсационные процессы, происходящие в макромалекулах лигнина. Протолигнин древесины имеет белый цвет. В процессе термической или химической обработки в макромолекуле лигнина увеличивается количество углерод-углеродных связей, структур с сопряженными кратными связями, что является причиной появления желто-коричневых тонов в окраске лигнинсодержащих материалов, а более жесткое воздействие может приводить даже к дегидрированию и дегидратации как лигнина, так и углеводной части древесины, с образованием углеродсодержащих структур, придающих размолотому материалу серый цвет. Этот эффект и наблюдается при получении высокодисперсного продукта при размоле древесины в вихревой мельнице.
В ходе последующих экспериментов было установлено критическое число оборотов ротора-импеллера, количество и объем
пульсационных камер статора, при которых достигался устойчивый эффект по своему действию напоминающий «паровой взрыв».
В целом гипотеза об изменении цвета образцов вследствие локального «парового взрыва» дополняет высказанные ранее предположения о причинах аномально высокой размольной мощности вихревой мельницы-нагревателя. Частичный разрыв (на критических режимах) или существенное ослабление (на рабочих режимах) связей между основными компонентами древесного сырья - целлюлозой, гемицеллюлозами и лигнином - значительно облегчает их дальнейшее измельчение, что и объясняет необычно высокую энергоэффективность вихревой мельницы-нагревателя в получении сухих тонкодисперсных порошков.
Вихревая мельница-нагреватель представляет собой относительно простую механическую конструкцию, для изготовления которой в условиях современного механосборочного производства не требуется сложных технологий и специализированного оборудования. При этом аппарат надежен в эксплуатации и прост в обслуживании, а ресурс его основных изнашивающихся частей вполне сопоставим со сроками службы сменных пластин роторов молотковых мельниц, традиционно используемых для тонкого помола древесного сырья, и может быть с успехом использован для получения тонкодисперсных образцов древесины и других лигнинсодержащих материалов, включая лигноуглевод-ные композиции и гидролизный лигнин.
Данная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках государственного контракта № 16.522.12.2010, заключенного между Министерством образования и науки РФ и ООО «БИОВЕТ-ФЕРМЕНТ» по мероприятию 2.2 федеральной целевой программы: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 гг.».
Библиографический список
1. Герман, Х. Шнековые машины в технологии / Х. Геррман. - Л.: «Химия», 1975. - 232 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013
143
ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
2. Гольдштик, М.А. Вязкие течения с парадоксальными свойствами / М.А. Гольдштик, В.Н. Штерн, Н.И. Яворский - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. - 336 с.
3. Суслов, А.Д. Вихревые аппараты. / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашхин и др. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.
4. Ходаков, Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов / Г.С. Ходаков - М.: Стройиздат, 1972. - 240 с.
5. Сиденко, П.М. Измельчение в химической промышленности / П.М. Сиденко - М.: «Химия», 1977. - 368 с.
6. Болдырев, В.В. О некоторых проблемах механохимии неорганических веществ / В.В. Болдырев
// Изв. СО АН СССР. Серия хим. наук. - Вып. 3.
- 1982 - № 7. - С. 3-8.
7. Авакумов, Е.Г. Механические методы активации химических процессов. 2-е изд. / Е.Г. Аввакумов
- Новосибирск: Наука, 1986. - 306 с.
8. Берлин, А.А. Механохимические превращения и синтез полимеров / А.А. Берлин // Успехи химии.
- 1958, - Т 27. - С. 112.
9. Барамбойм, Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений / Н.К. Барамбойм - М.: Химия, 1978. - 384 с.
10. Ильген, З. Поглощение энергии твердыми телами при измельчении в калориметрической мельнице / Ильген З. и др. // Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума, Таллин, 1981. - С. 155-156.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ВЫСУШИВАНИЯ-УВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВ
ГН. ФЕДОТОВ, ст. научн. сотр. Института экологического почвоведения, МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук,
В.С. ШАЛАЕВ, проф., директор Института системных исследований леса, МГУЛ, д-р техн. наук
Длительное время в почвоведении доминировала и доминирует физическая модель почв. Считается, что почвы - трехфазные системы (В данном случае используется не физико-химическое понятие фазы, а фаза означает агрегатное состояние. Попытка введения в виде четвертой фазы почвенной биоты была предпринята, чтобы подчеркнуть ее значение для почв, а не с целью изменения физико-химических представлений об их структурной организации и поведении), в которых присутствует в виде почвенных частиц - твердая фаза, почвенный раствор - жидкая фаза и почвенный воздух - газообразная фаза. Почвенные гели воспринимали как плотные образования из коллоидных частиц и относили к твердой фазе почв. Именно такие модельные представления лежат в основе объяснения всех почвенных свойств [1, 2].
Однако исследования показали, что гели, покрывающие и связывающие почвенные частицы [3-5], не являются плотными образованиями и способны набухать при взаимодействии с водой. Процесс набухания почвенных гелей не происходит мгновенно, а протекает в течение нескольких суток (37). При этом свойства почв с одинаковыми
gennadiy.fedotov@gmail.com
влажностями во времени непрерывно изменяются.
Дальнейшее изучение почвенных гелей позволило установить, что они представляют собой студень гумуса, армированный частицами различных размеров и который упрочнен за счет взаимодействия между органическими молекулами. При взаимодействии с водой армированный гумусовый студень ведет себя подобно многим полимерам - набухает, вбирая в себя воду и увеличиваясь в объеме, при высушивании происходит его усадка. Различные воздействия на почву изменяют состояние армированного гумусового студня, что приводит к изменению свойств почв [6].
Коллоидно-химическая модель почв позволяла объяснить ряд явлений, но отсутствие детальных представлений о наноструктурной организации почвенных гелей не давало возможности активно ее использовать. Обнаружение же самоорганизации в почвенных гелях и искусственных гумусовых системах показало, что восприятие гелей с позиций модели «армированного однородного гумусового студня» является явно недостаточным.
Для того чтобы лучше понять строение почвенных гелей, использовали применя-
144
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013
